sistemi di comunicazione wirelessabrardo/sr.pdfcapitolo 1 la rete gsm 1.1 introduzione alle reti...

Universita degli Studi di Siena

Facolta di Ingegneria

Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione

Sistemi di Comunicazione Wireless

Autore

Andrea Abrardo

Anno Accademico 2003/2004

Indice

1 La rete GSM 11.1 Introduzione alle reti cellulari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Architettura della rete GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.1 MS (Mobile Station) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.2 BTS (Base Transceiver Station) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.3 BSC (Base Station Controller) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.4 MSC (Mobile Services Switching Center) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.5 Il ruolo dei data base della rete GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3 Interfacce GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4 Canali Logici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.5 Canali fisici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.6 Mappatura dei canali logici nei canali fisici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.6.1 La modulazione nel sistema GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.7 Procedure GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.7.1 Sincronia e aggiornamento di dislocazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.7.2 Chiamata dalla rete mobile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.7.3 Chiamata dalla rete fissa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.7.4 Handover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.8 Riepilogo dei principali parametri tecnici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2 La rete GPRS/GSM 232.1 Introduzione alle reti mobili a pacchetto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2 L’architettura della rete GPRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2.1 La struttura del protocollo GPRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.3 Canali logici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.4 Allocazione delle risorse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4.1 Codifica dei dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.5 Accesso alla rete e routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.6 Gestione della mobilita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3 La rete UMTS 343.1 Introduzione al sistema UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.2 Servizi e classi di QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.3 Architettura della rete UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.3.1 La rete UTRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.3.2 Architettura protocollare della rete UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.4 Il livello fisico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.4.1 Canali di trasporto e mappatura nei canali fisici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.4.2 Operazioni di spreading e di scrambling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.4.3 Il fenomeno del multipath e la ricezione Rake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.4.4 Il controllo di potenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Indice

3.4.5 Il soft handover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.5 Interfaccia UTRA-FDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.5.1 Il canale dedicato in uplink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.5.2 Il canale dedicato in downlink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.5.3 La segnalazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.6 Interfaccia UTRA-TDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.6.1 Struttura del canale fisico e formato degli slot e del frame . . . . . . . . . . . . . . . . 623.6.2 Multiplazione a divisione di tempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.6.3 Definizione dei burst di traffico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

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Capitolo 1

La rete GSM

1.1 Introduzione alle reti cellulari

I primi sistemi di comunicazione mobile hanno fatto la loro comparsa negli anni ’40. Si trattava ovviamentedi sistemi di telefonia analogici che sfruttavano trasmettitori e ricevitori FM di grande potenza. L’area dicopertura aveva un raggio di circa 80 Km nel quale erano disponibili 25 canali. Per incrementare il numero diutenti servibili il canale di comunicazione veniva scelto dinamicamente tra i canali liberi. Questo consentivadi gestire un maggior numero di utenti con la possibilita, pero, di incorrere in un blocco di chiamata.

I problemi di un tale sistema sono evidenti: innanzi tutto l’utilizzo di un singolo trasmettitore implicavaaree di servizio poco estese e l’impiego di una elevata potenza di trasmissione. Ma l’aspetto piu penalizzanteera il basso numero di canali a disposizione che impediva un utilizzo di massa del servizio.

Una svolta nelle comunicazioni mobili e rappresentata dai sistemi cellulari. Un sistema cellulare sibasa sull’utilizzo, in tutta l’area di copertura, di un elevato numero di trasmettitori a bassa potenza (circa100W), ciascuno relativo ad una propria area di forma esagonale denominata cella. A celle adiacenti vengonoassegnati canali distinti per evitare interferenze. Tuttavia, celle sufficientemente lontane tra loro possonoutilizzare le stesse bande di frequenza. Questa tecnica, nota come riuso delle frequenze permette di disporredi un numero sufficientemente elevato di canali per cella e quindi servire un maggior numero di utentidistribuiti sul territorio.

La forma esagonale della cella e dovuta essenzialmente a due motivi: in primo luogo le figure esagonaliconsentono (almeno idealmente) di coprire aree piane senza nessuna zona scoperta. Con una tale coperturale antenne ricetrasmittenti delle celle adiacenti ad una cella sono tutte equidistanti, cio non si avrebbe se siscegliessero, per esempio, celle quadrate .

L’altra caratteristica fondamentale di una rete radiomobile e, appunto, la mobilita degli utenti: se unutente si muove da una cella ad un’altra e necessario che il terminale si sintonizzi su un nuovo canale (fre-quenza) senza lasciar cadere la comunicazione. Questo processo e noto col nome di handover.

Il primo sistema cellulare, di tipo analogico, fu introdotto negli USA nel 1979 con il nome di AMPS(Advanced Mobile Phone Service). Successivamente, nel 1981 e nato l’NMT (Nordic Mobile Telephone) unnuovo sistema cellulare analogico incompatibile col precedente, sviluppato nei paesi del Nord Europa. Nel1985, e nata la prima rete TACS (Total Access Communications System), derivata dall’AMPS e sviluppatanel Regno Unito. Il sistema TACS utilizzava inizialmente una banda complessiva di 70 MHz (da 890 a960 MHz), successivamente tale banda e stata estesa di ulteriori 8 MHz dando vita ad un nuovo standardl’ETACS (Extended TACS).

Gli anni ’80 hanno visto ogni paese europeo adottare un proprio sistema cellulare, ognuno operante afrequenze diverse e incompatibile con tutti gli altri. A causa di cio la mobilita di ogni terminale della rete eralimitata dai confini nazionali (era impossibile il roaming internazionale). Inoltre il proliferare di tecnologiedifferenti tra i vari paesi impediva un’economia in vasta scala per le infrastrutture e le apparecchiatured’utente.

I sistemi analogici, inoltre, avevano anche altri problemi: innanzitutto la robustezza del processo diautenticazione, necessario per proteggere la rete da uso fraudolento, era minima e si basava semplicemente

Capitolo 1. La rete GSM

sulla trasmissione (in chiaro) del numero di serie assegnato al terminale mobile. A causa della naturaanalogica della rete, era quasi impossibile utilizzare algoritmi di crittografia, non garantendo quindi unadeguato grado di sicurezza alle comunicazioni.

Per superare queste difficolta, nel 1982 i gestori di telecomunicazioni di 26 paesi europei si riunirono sottoil controllo del CEPT (Conference Europeenne de Postal et Telecommunications) per formare un gruppodi studio: il GSM (Groupe Special Mobile). Il gruppo aveva il compito di sviluppare un sistema comune ditelefonia mobile europeo con i seguenti requisiti:

• Funzionamento nella banda 890-915 e 935-960 MHz.

• Qualita della conversazione equivalente o superiore a quella dei sistemi precedenti.

• Mobilita internazionale.

• Sicurezza e riservatezza delle comunicazioni mediante criptazione (in gergo GSM chiamata ”cifratura”).

• Stazioni mobili di tipo ”palmare”.

• Basso costo sia della gestione che delle apparecchiature.

• Piani di numerazione basati sul CCITT.

• Compatibilita con la rete ISDN.

Nel 1985 il gruppo GSM decise che per soddisfare i precedenti requisiti la tecnologia del nuovo sistema ra-diomobile dovesse essere digitale. Questo avrebbe consentito di poter utilizzare ciascuna frequenza (canale)da piu utenti contemporaneamente mediante tecniche TDMA, con conseguente aumento di capacita comp-lessiva. Inoltre un sistema digitale risulta meno sensibile al rumore e alle interferenze, e permette di applicarealgoritmi di autenticazione e cifratura molto semplicemente. Nel 1989 il progetto GSM passo sotto il control-lo dell’ETSI (European Telecommunication Standards Institute) il quale ridefinı l’acronimo GSM in GlobalSystem for Mobile Communications e pubblico le specifiche del nuovo sistema in due fasi: la prima (PHASE1) nel 1991 corrispondente alla commercializzazione dei primi servizi, e la seconda (PHASE 2) nel 1993.

Nello stesso periodo l’ETSI assegno una banda di 75 MHz nella gamma 1800 MHz per una versionecompatibile del GSM su richiesta del Regno Unito. Tale sistema fu chiamato DCS1800 (Digital CellularSystem). La rete DCS1800 possiede le stesse specifiche GSM per cio che riguarda gli apparati di rete,mentre per i trasmettitori, che ovviamente devono essere in grado di lavorare a frequenze piu elevate,esistono specifiche apposite. Ovviamente il roaming tra queste reti sara consentito solo ai terminali capacidi trasmettere in entrambe le frequenze 1. La rete PCS1900 (Personal Communications Service) rappresental’introduzione della tecnologia GSM in America; e una rete GSM-compatibile e lavora nella banda 1900 MHz.

1.2 Architettura della rete GSM

Una rete GSM e composta di numerose entita funzionali (Fig. 1.1) che possono essere raggruppate in quattrosottosistemi:

• La stazione Mobile (Mobile Station, MS), ovvero il terminale mobile utilizzato dall’abbonato.

• La stazione Base (Base Station Subsystem, BSS) che controlla le trasmissioni radio con il terminalemobile.

• Il sottosistema di rete (Netwwork Subsystem), la cui parte principale e la centrale di commutazione(Mobile Services Switching Center, MSC), la quale realizza la connessione tra l’utente della rete mobilee gli utenti delle altre reti, fisse o mobili.

1Un esempio sono i telefoni cellulari dual band

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Figura 1.1 Architettura del sistema GSM

• Il sottosistema di esercizio e manutenzione (OMC), che sovrintende al corretto funzionamento esettaggio della rete .

La comunicazione tra le varie entita del sistema e accuratamente descritta nelle specifiche GSM tramitela definizione di interfacce standard. Cio consente ad un operatore di integrare in una stessa rete appa-rati funzionali costruiti da produttori diversi (architettura di tipo ”aperto”) purche si siano attenuti allespecifiche.

Di seguito forniamo una breve descrizione delle funzionalita degli elementi mostrati in Fig. 1.1.

1.2.1 MS (Mobile Station)

La stazione mobile e il terminale usato dall’abbonato per accedere alla rete. Una stazione mobile GSMe formata da due elementi: il terminale vero e proprio detto ME (Mobile Equipment), e la smart carddetta SIM (Subscriber Identity Module) contenente i dati personali dell’utente. Ogni ME e univocamentericonosciuto dalla rete mediante un codice IMEI (International Mobile Equipment Identity) direttamentecablato in hardware dal costruttore dell’apparecchio.

La SIM, invece, contiene i dati utili per il riconoscimento dell’abbonato da parte della rete. L’utilizzodella SIM permette una certa mobilita personale: l’utente puo accedere alla rete da qualsiasi terminalecompatibile purche fornisca alla rete i propri dati personali (contenuti nella SIM). La SIM-card contiene leseguenti informazioni:

• MSISDN: numero telefonico dell’abbonato.

• IMSI: codice di identificazione d’utente (da non confondere con l’IMEI che e relativo invece al terminalemobile).

• TMSI: codice di identificazione temporanea.

• LAI: codice che identifica la posizione dell’abbonato (location area).

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Figura 1.2 Sottosistema di rete

• ki: chiave di autenticazione.

• A8: algoritmo di cifratura.

• A3: algoritmo di autenticazione.

• PIN1, PIN2, PUK1, PUK2.

• Informazioni personali proprie dell’utente: rubrica, messaggi ecc.

Esistono tre tipi di ME che si distinguono per funzionalita e potenza trasmissiva: veicolari, portatili, epalmari. I primi sono montati su veicoli con antenna esterna e classe di potenza 2. I portatili hannoun’antenna non connessa all’apparecchio e la loro classe di potenza e 2-3. Infine i palmari hanno un’antennaconnessa e la classe di potenza e 4-5.

1.2.2 BTS (Base Transceiver Station)

L’area di copertura complessiva di una rete, detta SA (service area), e suddivisa in numero di celle adiacenticiascuna servita da una stazione radio base ricetrasmittente (BTS). Una BTS e quindi costituita da piutranceiver e da apparati che consentono di fornire la copertura radio alla propria cella. La stazione mobileaccede alla rete grazie ad un collegamento radio con la BTS. E’ importante sottolineare che si tratta dell’unicocollegamento radio all’interno della rete GSM, ogni altro collegamento tra le varie unita della rete avvienevia cavo.

La tecnica di assegnazione dei canali alle varie BTS, come detto precedentemente, prevede il riuso dellefrequenze. Esso consiste nell’assegnare un certo sottoinsieme delle portanti (canali) disponibili ad ogni BTSavendo cura di assegnare lo stesso sottogruppo a BTS che si trovino a distanza tale da poter trascurarel’interferenza co-canale.

Una stazione BTS tipicamente utilizza un traliccio sul quale sono collegate le antenne (omnidirezionalio settoriali). Per migliorare la qualita del segnale, spesso si utilizzano due antenne riceventi poste aduna distanza di 10 lunghezze d’onda (circa 3 metri a 900MHz) in modo da implementare una diversita inricezione. Le antenne possono essere spaziate orizzontalmente o verticalmente (la prima soluzione e la piudiffusa).

Oltre alle due antenne in ricezione si ha un’antenna in trasmissione generalmente posta tra le due an-tenne riceventi.

Per aumentare la capacita di traffico in aree densamente popolate (centri urbani) occorre ridurre ledimensioni delle celle. Tuttavia questa soluzione (denominata ”splitting”) richiede l’installazione di nuoveBTS con un corrispondente aumento di costi. Un’alternativa e quella si suddividere la cella in tre settoriognuno dei quali e illuminato da un’antenna direttiva con un’apertura di 120 gradi (vedi Fig. 1.3). In questo

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Figura 1.3 Antenne settoriali

Figura 1.4 Esempi di settorizzazione

modo ogni BTS gestisce tre settori e le dimensioni della cella risultano ridotte di un fattore 3. Ovviamente,la settorizzazione puo anche essere utilizzata semplicemente per ridurre il numero di centrali BTS a paritadi dimensioni della cella (vedi Fig. 1.4).

Di seguito elenchiamo alcuni compiti fondamentali di una BTS.

• Trasmettere in downlink una serie di informazioni broadcast a tutti i mobili della cella utili per l’accessoalla rete.

• Informare la MS del tempo di ritardo con cui la BTS riceve il segnale, time slot della chiamata, ecc..

• Misurazioni del livello di potenza con la quale e ricevuta la MS; l’informazione viene poi passata allaBSC.

1.2.3 BSC (Base Station Controller)

Una stazione di controllo BSC governa il funzionamento di uno o piu BTS adiacenti all’interno della SA.L’insieme costituito dal BSC e dalle BTS da esso controllate e detto BSS (Base Station Subsystem). Il BSCgestisce l’instaurazione ed il rilascio dei canali radio di ciascuna cella mediante uno switch che commuta ivari canali da e verso la BTS. Per far cio utilizza opportuni protocolli (livello 3). Il BSC gestisce inoltreil frequency hopping inviando un’informazione specifica ad ogni cella relativa al salto di frequenza. LaBSC e anche responsabile dei cambi di cella degli utenti mobili tra le BTS controllate (handover interni).Viceversa se il mobile si muove tra due celle appartenenti a due BSC differenti la procedura di scambio eaffidata all’MSC (handover estrerni).

Nella fase di instaurazione di un collegamento (chiamata) tra due mobili, il BSC ha il compito dirintracciare l’utente chiamato, ordinando a tutte le celle dell’area controllata di trasmettere un segnalebroadcast apposito (paging).

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Ogni BSC e connesso, da un lato ai vari BTS, dall’altro all’MSC mediante una linea PCM dedicataa 2048 kbit/s (30 canali PCM da 64 kbit/s). Dato che la codifica vocale utilizzata dal GSM e diversadal PCM occorre un particolare dispositivo, detto TRAU (Transcoder Rate Adapter Unit), che realizzaun adattamento della codifica GSM (13 kbit/s) alla codifica PCM (64 kbit/s). Poiche tale adattamentocomporta una perdita di capacita (ridondanza) e conveniente usare il TRAU a livello MSC in modo chenel collegamento BSC-MSC sia utilizzata la codifica GSM portata a 16 kbit/s (cosı su ogni slot PCM puocontenere 4 comunicazioni vocali GSM).

1.2.4 MSC (Mobile Services Switching Center)

Ogni operatore di telefonia mobile ha un certo numero (qualche decina) di MSC sparsi nel territorio conil compito di gestire completamente una certa area (Fig. 1.5). Tale area e nota come Area MSC/VLR.L’MSC e di fatto una centrale di commutazione digitale simile ad una centrale ISDN (salvo il fatto chedeve gestire i protocolli per la mobilita degli utenti). Il suo compito e occuparsi della gestione delle risorsesull’interfaccia A (MSC-BSC) verso i BSC e la gestione di tutte le chiamate della propria area. Inoltrel’MSC gestisce la mobilita dell’abbonato: tra MS e MSC avviene uno scambio di informazioni relative allaposizione del mobile. Tali informazioni vengono memorizzate nei database VLR e HLR (descritti in seguito)ai quali l’MSC ha accesso. Questo gli consente di rintracciare l’utente e di gestisce la procedura di handoverdelle chiamate fra celle che appartengono a MSC differenti (handover esterni). Tra i vari compiti dell’MSCbisogna aggiungere anche la tariffazione delle chiamate.

All’MSC sono anche connessi i ”Service Centers” come quelli che si occupano degli short messages degliutenti. Un MSC speciale e il Gateway-MSC che permette l’interconnessione delle rete GSM con le retiesterne (es. ISDN, e PSTN).

L’architettura della rete GSM e, quindi, di tipo gerarchico con al vertice le centrali MSC. Questa strutturasi riflette in una suddivione (sempre gerarchica) del territorio in aree. Tali aree sono elencate di seguito.

• AREA 1 o GSM Service Area: e l’area all’interno della quale un utente GSM puo raggiungere il servizioofferto dagli operatori e corrisponde all’insieme di tutti i paesi europei che hanno aderito al GSM.

• Area 2 o Operator: e l’area dove la copertura disponibile e offerta da un operatore GSM.

• Area 3 o MSC/VLR Area: e l’area coperta dalle BTS connesse allo stesso commutatore MSC.

• Area 4 o Location Area (LA): e la parte di un’area MSC controllata da un BSC nella (quale avvengonoi paging e l’aggiornamento della MS).

• Area 5 o Cell: e l’area minima entro cui viene offerto il servizio GSM e corrisponde all’area di coperturadi una BTS. Ogni cella fa parte di una LA.

1.2.5 Il ruolo dei data base della rete GSM

Come e stato detto precedentemente ogni MSC si serve di database per gestire tutte le chiamate della pro-pria area. In questo sottoparagrafo diamo una rapida descrizione dei vari data base di una rete GSM.

HLR (Home Location Register): Ogni operatore possiede nella propria service area alcuni data baseHLR contenenti informazioni relative ad una parte dei propri abbonati. Ogni abbonato, all’atto della sot-toscrizione del contratto, viene registrato in un solo HLR. L’HLR memorizza le informazioni ”permanenti”dell’utente come i dati contenuti nella SIM, oppure dati ”dinamici” come i servizi attivati e l’identita dell’areaMSC/VLR nel quale l’utente risulta momentaneamente collocato (dislocazione). Quest’ultima informazioneserve ad un MSC per instradare una chiamata verso la stazione mobile. In pratica un MSC e in grado,

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Figura 1.5 Architettura del sistema GSM

mediante il numero MSISDN (numero telefonico), di individuare l’HLR nella quale risulta registrato l’ab-bonato e di interrogarlo, mediante opportuni protocolli, circa l’attuale MSC/VLR che sta assistendo l’utente.

VLR (Visitor Location Register): Se le informazioni relative alla posizione sono necessarie soloper instradare le chiamate verso l’utente mobile, le altre informazioni, (quelle relative alla SIM-card) sononecessarie all’MSC che gestisce le chiamate in vari momenti della chiamata stessa. Se l’MSC dovesse accedereogni volta all’HLR, si avrebbe un intenso traffico di segnalazione sulla rete. Per evitare questo caricoaggiuntivo, i dati relativi all’utente vengono memorizzati in un database denominato VLR e vi rimangonoper tutto il tempo in cui l’utente risulta registrato nell’area coperta da quell’MSC.

Tutte le informazioni di utente contenute nell’HLR devono essere copiate nei vari VLR ogni volta chel’utente entra in un’area servita da un VLR diverso. Per far cio il VLR interroga l’HLR di appartenenzadell’abbonato richiedendo le informazioni sullo stesso, fatto cio registra l’utente come ”visitors”. Contem-poraneamente l’HLR registra l’identificativo dell’VLR al quale ha trasferito le informazioni. L’identificativodella location area effettiva (LAI), e invece memorizzato solo nel VLR (nell’HLR sara sufficiente memorizzarele informazioni riguardanti l’MSC/VLR che sta attualmente servendo l’utente).

Il VLR gestisce e controlla l’identita temporanea degli utenti mobili. Infatti la rete GSM, per motividi sicurezza, non trasmette direttamente l’IMSI, bensı un ”alias”: il TMSI (Temporary Mobile SubscriberIdentity). Il TMSI vale solo nell’area controllata dal VLR e viene assegnato dinamicamente di volta in volta.

VLR contiene inoltre altri dati come lo stato dell’utente (libero, occupato, non raggiungibile) ma nessundato utile per fini amministrativi.

Nelle attuali implementazioni, un VLR e fisicamente locato presso una centrale MSC.

AuC (Authentication Center): E’ tipicamente integrato con l’HLR e contiene le chiavi per auten-ticare l’accesso dei terminali mobili ai vari servizi degli utenti registrati nell’HLR. L’AuC contiene, inoltre,gli algoritmi necessari per l’autenticazione A3 e la cifratura A8.

EiR (Equipment Identity Register): Si tratta di un database con lo scopo di assistere la rete al finedi negare un servizio a terminali che risultino rubati o difettosi. L’EiR per il suo funzionamento si avvale ditre liste: lista bianca, grigia e nera. La prima contiene gli IMEI dei terminali autorizzati a connettersi allarete. La lista grigia contiene tutti i terminali il cui accesso e dato a discrezione dell’operatore di rete. Infinela lista nera contiene i codici IMEI dei terminali non autorizzati.

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OMC (Operation & Maintainance Center): E’ una struttura che l’operatore di rete usa permonitorare lo stato della rete e per intervenire in caso di guasto.

1.3 Interfacce GSM

Nei paragrafi precedenti abbiamo descritto le principali unita funzionali della rete GSM. E’ importantesottolineare che il modo in cui tali unita devono interagire, cioe scambiarsi informazioni, e perfettamentedocumentato nelle specifiche GSM mediante la definizione delle interfacce. Come e stato detto il GSMutilizza un insieme di interfacce standard tali da consentire un’architettura di tipo ”aperto”. In questoparagrafo forniamo una breve descrizione delle principali interfacce GSM.

• Um (Utente Mobile): e l’interfaccia di comunicazione tra la MS e la BTS; e nota anche come interfacciaaerea o radio (l’unica interfaccia radio del sistema). L’interfaccia Um usa una segnalazione radio comelivello 1 e una modifica del protocollo ISDN per il livello 2 e 3.

• A − bis: e l’interfaccia di comunicazione tra la BTS e il BSC. Attraverso l’interfaccia A-bis passanotutte le informazioni relative alla gestione e allocazione delle risorse radio delle BTS.

• A: si trova tra il BSC e l’MSC; gestisce l’allocazione delle risorse radio alle MS e la loro mobilita.

• MAP −B: e l’interfaccia tra l’MSC e il suo VLR; in essa transitano tutti i dati relativi all’utente utiliall’MSC. Poiche questa interfaccia viene usata spesso, la tendenza da parte dei costruttori e quella diintegrare l’MSC con il relativo VLR. In tal caso la MAP-B e un’interfaccia”interna”.

• MAP −C: questa interfaccia e posta tra l’HLR e l’MSC (o GMSC); e l’interfaccia attraverso la qualeun MSC (o un GSMC) chiede all’HLR informazioni di instradamento per raggiungere un utente mobile(come vedremo in seguito). Inoltre, transitano tutte le informazioni utili all’HLR per l’addebito dellechiamate.

• MAP −D: e l’interfaccia tra HLR e VLR e viene usata per scambiare dati relativi agli utenti mobilie alla loro dislocazione fisica.

• MAP−E: e l’interfaccia tra due MSC; essa permette lo scambio di messaggi necessari al mantenimentodella comunicazione quando una MS cambia cella (handover).

• MAP −F : si trova tra l’MSC e l’EiR e viene usato per scambiare i dati che consentono di identificarela ME (tramite il codice IMEI) dell’utente mobile.

1.4 Canali Logici

Il progetto dell’interfaccia radio (o aerea) del sistema GSM, definita come interfaccia Um, e molto comp-lesso. La ragione di tale complessita risiede nel fatto che tale interfaccia deve soddisfare tutte le necessitadi segnalazione e di trasmissione dati che sono tipiche di una rete cellulare. In un contesto di stratificazioneprotocollare, tali problematiche si situano nei primi tre livelli del modello di riferimento ISO/OSI. In par-ticolare il livello fisico (L1) si interfaccia con il livello di collegamento (L2) attraverso un certo numero dicanali logici costituiti sia da canali di traffico voce e dati, che da canali di segnalazione e i controllo.

Il sistema GSM utilizza 10 canali logici suddivisi in canali di traffico duplex (TCH) e in canali di controllo(CCH). Tali canali sono riassunti nelle tabelle Tab. 1.1 e Tab. 1.2.

Per quanto riguarda i canali di traffico (Tab. 1.1), si distinguono in canali a full rate (TCH/F), chetrasportano un bit rate di 22.8 kbit/s, e canali half rate (TCH/H), che trasportano un bit rate di 11.4kbit/s. Un canale fisico, come vedremo, puo trasportare un canale logico full rate o due canali logici halfrate. I canali di traffico sono composti poi da canali voce e canali dati. i primi sono indicati con la lettera S

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FEC-coded speec FEC-coded dataTCH/FS TCH/F9.622,8 kbit/s TCH/F4.8

TCH/F2.422.8 kbit/s

TCH/HS TCH/H4.811.4kbit/s TCH/H2.4

11.4 kbit/s

Tabella 1.1 Canali di Traffico

Broadcasting Ch. Common CCH Stand-Alone Associated CCHBCH CCCH Dedicated CCH ACCH(BTS−→MS) SDCCH (BTS←→MS)

(BTS←→MS)Broadcast Control Ch. Paging Channel SDCCH4 Fast ACCHBCCH PCH FACCH/F, FACCH/H

(BTS−→MS)Freq. Correct Ch. Random Access Ch. SDCCH8 Slow ACCHFCCH RACH SACCH/TF, SACCH/TH

(MS−→BTS) SACCH/C4, SACCH/C8Synchr. Channel Access Grant ChannelSCH AGCH

(BTS−→MS)

Tabella 1.2 Canali di Controllo

che segue la lettera F o H (full rate o half rate). I secondi sono contraddistinti da l’indicazione del bit rateeffettivo (al netto di tutte le ridondanze) subito dopo la lettera H o F. Si possono avere, come indicato inTab. 1.1, dati a 9.6, 4.8 e 2.4 kbit/s. Nei canali di traffico voce, il bit rate effettivo, che esce dal codificatorevocale, e di 13 kbit/s nel caso di canale full rate e di 6.5 kbit/s nel caso half rate.

Per quanto riguarda i canali di controllo (Tab. 1.2), si hanno 4 tipi diversi di canali:

I Canali Broadcast (BCH) sono utilizzati solo nel collegamento da stazione base (BTS) verso il ter-minale mobile (MS). Essi possono essere di tre tipi: Frequency Correction Channel (FCCH), servono pertrasmettere una portante non modulata e per permettere cosı ai mobili di effettuare una sincronizzazionealla portante della stazione base che viene ricevuta con maggiore potenza; Synchronization Channel (SCH),servono per permettere ai mobili di effettuare una sincronizzazione di simbolo, di slot e di frame alla stazionebase ”migliore” e di scoprirne l’identita. Inoltre, nel canale Broadcasting Control Channel (BCCH) vengonodiffuse delle broadcast informations a tutti gli utenti della cella. Alcune di queste informazioni sono l’identitadella cella, l’area di dislocazione (LA), l’identita delle BTS vicine, parametri relativi al frequency hopping einformazioni sulla struttura dei canali di controllo correnti.

I canali di controllo comune (CCCH) possono essere di tre tipi: Paging Channel (PCH), che serveper trasmettere una richiesta di chiamata dalla rete verso la MS; Random Access channel (RACH), cheserve alla stazione mobile per richiedere l’instaurazione di un canale di controllo duplex di tipo stand-alonededicato (questo viene fatto per esempio quando la MS vuole effettuare una chiamata); Access Grant Channel(AGCH), che serve per allocare un canale di controllo duplex di tipo stand-alone dedicato in risposta ad

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una richiesta RACH.Le stazioni mobili accedono al canale RACH con un metodo di accesso multiplo casuale di tipo slotted-

Aloha. Se due stazioni generano una collisione le due MS hanno un certo numero di tentativi per riprovareprima di considerare fallito l’accesso.

Come e noto, l’utilizzo dello slotted-Aloha conferisce alla capacita di accesso della rete una efficienzadel 37% (piuttosto bassa). Tuttavia incrementare tale efficienza, mediante una coordinazione degli utenti,implica un incremento del traffico di segnalazione. Inoltre, tutte le volte in cui il numero degli utenti chetentano di accedere contemporaneamente e maggiore del numero di canali disponibili, la rete deve negare ilservizio agli utenti in eccesso. Come conseguenza tutta la capacita di canale, utilizzata per coordinare gliutenti in eccesso risulta sprecata. E’ quindi conveniente che la negazione del servizio venga fatta il primapossibile e col minor impiego di risorse da parte della rete. Questo spiega l’utilizzo dello Slotted-Aloha.

I canali di tipo stand-alone dedicati SDCCH possono essere di due tipi: SDCCH/4 SDCCH/8 a secondache utilizzino 4 o 8 sottocanali (come vedremo meglio in seguito). Questi canali sono utilizzati per effettuareil set-up di una chiamata. La procedura comporta una richiesta del mobile di autenticazione, la rispostadella rete, la trasmissione da parte del mobile del numero da chiamare e, alla fine, l’instaurazione di uncanale di traffico. Durante la fase di standby del terminale essi possono essere usati per trasportare gli SMSin direzione uplink (ovviamente cio non puo avvenire durante una comunicazione)

I canali Associated (ACCH) sono full duplex (come del resto i canali SDCCH). Essi sono utilizzati pereffettuare il controllo della qualita della comunicazione e sono percio associati ai canali di traffico o ai canaliSDCCH (dei quali utilizzano una parte della capacita). I meccanismi principali attraverso i quali avviene ilcontrollo della qualita sono essenzialmente il monitoraggio costante da parte della MS dei livelli di potenzadi tutte le BTS ricevute e l’invio di tali dati alla BTS (che puo iniziare un cambio di canale) nonche latrasmissione da parte della BTS di segnali di controllo di potenza (aumentare o abbassare).

Si hanno due tipi di ACCH: I Fast ACCH (FACCH) sono finalizzati ad effettuare funzioni urgenti, qualiquella di comandare un handover (cambio di canale) sia all’interno della stessa cella che tra celle diverse(tali canali ”rubano letteralmente le risorse ai canali di traffico che per un po’ di tempo si interrompono);gli Slow ACCH (SACCH), che sono suddivisi in diversi tipi a seconda dei canali a cui sono associati (F o H,SDCCH/4 o SDCCH/8) e che servono per scambiare informazioni tra BTS e MS circa i livelli di potenzada usare e i livelli di potenza ricevuti dalle varie BTS. Tali canali servono anche per trasporto degli SMS indownlink (che come e noto possono essere ricevuti anche durante una chiamata)

1.5 Canali fisici

Come detto precedentemente il sistema GSM utilizza le risorse radio delle bande di frequenza 890-915 e935-960 MHz. In particolare la banda 890-915 MHz viene utilizzata per le trasmissioni in uplink (da MSa BTS) mentre la banda 935-960 MHz viene utilizzata in downlink (da BTS e MS). La separazione di 45MHz tra le due bande permette di evitare l’interferenza tra le due tratte. Per l’accesso degli utenti mobili aciascuna banda il GSM utilizza una combinazione delle tecniche di accesso multiplo a divisione di frequenza(FDMA) e di tempo (TDMA).

I 25 MHz di ciascuna banda (uplink e downlink) vengono divisi, mediante una tecnica FDMA, in 125canali di ampiezza 200 kHZ che consentono una velocita di trasmissione di 270 kbit/s. Ciascun canale,numerato da 0 a 124, e centrato su una diversa frequenza portante. Un canale radio (duplex) e individuatoda una coppia di portanti una uplink e una downlink separate da 45 MHz: se si conosce la frequenza dellaMS e possibile ricavare la frequenza della BTS semplicemente sommando 45 MHz.

A ciascun operatore viene assegnato un sottoinsieme di portanti per la propria rete GSM (il canale 0 none assegnato a nessun operatore). Recentemente sono state allocate ulteriori 10 MHz di banda per entrambele tratte dando vita all’ Extended-GSM che consta di ben 175 portanti per tratta.

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Figura 1.6 Organizzazione gerarchica delle trame GSM

Ogni portante gestisce 8 canali a divisione di tempo organizzati in slot temporali numerati da 0 a 7 (bitrate per canale 270/8=33.75 kbit/s). Ad ogni utente viene assegnato uno slot temporale e la trasmissionepotra avvenire solamente durante tale intervallo. Riassumendo un canale fisico GSM e univocamente deter-minato da uno slot temporale e da una portante.

Nel sistema GSM esistono diversi tipi di canali fisici che servono per trasportare i canali logici descrittiprecedentemente. Il piu importante canale fisico e il cosiddetto Normal Burst (NB). In Fig. 1.6 vieneriportata la struttura della trama GSM in cui l’informazione e suddivisa gerarchicamente dagli hyperframe(livello gerarchico superiore) di durata pari a 3 ore e 28 minuti, fino ai normal burst (livello gerarchicoinferiore) corrispondenti agli slot temporali della durata di 0.577 ms. Come mostrato in Fig. 1.6, unNB e composto da una serie di campi, dei quali solo quelli indicati con Encrypt Bits (di 58 bit ciascuno)rappresentano i campi realmente informativi. Lo slot NB viene utilizzato per trasportare un canale dedicato(TCH o SDCCH), o un canale associato (ACCH), sia full rate che half rate. Il modo in cui il canale TCHviene mappato nei burst NB (ovvero il significato e l’origine dei vari campi che costituiscono il burst NB)verra descritto in seguito.

Quello che e importante sottolineare in questa fase e che uno slot temporale di 0.577 ms rappresental’unita informativa pacchetto che viene organizzata in frames di 8 pacchetti di durata 4.615 ms. Ad unlivello superiore i frames sono organizzati in multiframes di 26 frames e di durata 120 ms. Ad un livelloancora superiore si hanno i superframes e, infine, gli hyperframe costituiti da 2,715,648 frames per la duratadi 3 ore e 28 minuti. La ragione che ha spinto a questa organizzazione gerarchica cosı estesa e stata quelladi garantire algoritmi di cifratura sufficientemente sicuri. Infatti, l’algoritmo di cifratura nel GSM utilizzail numero di frame per cifrare i dati contenuti in quel frame. Con un numero cosı elevato di frames checostituiscono un hyperframe, e praticamente impossibile effettuare tutte le prove necessarie per decifrare idati, rendendo cosı la trasmissione sicura.

Oltre agli NB esistono altri tipi di burst, tutti lunghi uno slot temporale (0.577 ms). Gli altri tipi diburst utilizzati dal GSM sono mostrati in Fig. 1.7.

I burst mostrati in 1.7 sono utilizzati per trasportare il canale di controllo comune RACH e i canaliBroadcast BCCH. Mentre nei canali TCH e ACCH una portante viene condivisa da 8 o 16 (per gli halfrate) utenti in multiplazione TDMA nella stessa cella, i canali CCCH e BCCH di tutti gli utenti di unaparticolare cella condividono lo stesso slot (slot 0 per default) di una portante fissa che viene assegnataalla cella definita ”portante broadcast”. I canali BCCH e CCCH inoltre sono canali simplex (solo in una

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Figura 1.7 Tipi di burst GSM

direzione) diversamente da quelli TCH, SDCCH e ACCH che sono full duplex. un’altra differenza fra i duetipi di canali e quella che la struttura multiframe per i canali BCCH e CCCH e composta di 51 frame invecedi 26 come nel caso dei canali che usano un NB (Fig. 1.6). Per compensare l’incremento della durata dalmultiframe, che diventa di 235 ms invece di 120 ms, viene costruito un super frame di 26 multiframe, peruna durata di 6.12 s identica a quella vista nel caso di Fig. 1.6.

1.6 Mappatura dei canali logici nei canali fisici

Vediamo ora come i canali logici descritti nel paragrafo precedente possono assolvere le funzioni per le qualisono stati progettati (trasmissione e controllo) attraverso l’utilizzo dei burst e dell’organizzazione in frame.Iniziamo con descrivere i canali TCH/FS spendendo prima due parole sulla codifica (di sorgente) vocale delsistema GSM.

La codifica GSM e attualmente una delle codifiche vocali piu potenti: essa permette di trasmettere ilsegnale vocale (0 - 4 kHz) con un bit rate di 13 kbit/s contro i 64 kbit/s della codifica PCM. Il ”vocoder”(vocal coder) codifica la voce secondo una RPE-LTP (Regular Pulse Excitation with Long Term Prediction)cioe una codifica che sfrutta la correlazione esistente tra campioni della voce. Invece di trasmettere uncampione (come avviene nel PCM) il vocoder fa una ”predizione” sul campione e trasmette solo la differenzarispetto alla predizione fatta (errore di predizione).

Un’altra caratteristica del codificatore e quella di riconoscere le pause vocali: nel corso di una normaleconversazione, la comunicazione occupa circa il 50% del tempo. Il codificatore GSM e in grado di dis-tinguere la voce dal rumore di fondo e interrompere la trasmissione quando l’utente non parla. Questatecnica, nota come trasmissione discontinua (DTX, Discontinuos Trasmission), e implementata in tutte leMS consentendo, cosı, di minimizzare le interferenze co-canale e di risparmiare energia.

L’interruzione della trasmissione provoca, pero, una sensazione sgradevole: l’utente percepisce il silenzioassoluto come un’interruzione di chiamata. Per risolvere questo inconveniente, durante i periodi di pausa,la MS trasmette una codifica a basso bit rate (500 b/s) del rumore di fondo detto confort noise.

Il vocoder genera un blocco di 260 bit ogni 20 ms pari ad un bit rate di 13 kbit/s. Poiche alcuni bit inuscita hanno un’importanza maggiore ai fini della qualita del segnale vocale, il processo di codifica di canale,che segue quello di codifica di sorgente, viene implementato suddividendo i bit del blocco in classi:

• 50 bit di classe 1a (con posizione da 0 a 49 all’interno del blocco)

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Figura 1.8 Codifica di canale per il traffico voce

• 132 bit di classe 1b (con posizione da 50 a 181 all’interno del blocco)

• 78 bit di classe 2 (con posizione da 182 a 259 all’interno del blocco)

I bit appartenenti a classi diverse subiscono un diverso processo di codifica di canale. La Fig. 1.8 illustral’intero processo di codifica di canale.

Il codificatore ciclico codifica i 50 bit di classe 1a introducendo 3 bit di parita. I 53 bit in uscita, insiemeai 132 bit di classe 1b e a 4 bit costituiti da zero, sono inviati in ingresso ad un codificatore convoluzionaleche raddoppia il numero di bit trasmessi. I quattro bit di zero servono per riportare il codificatore (asedici stati) nello stato iniziale alla fine del processo di decodifica. In uscita al codificatore convoluzionale siproducono cosı 378 bit (189× 2) che sommati ai restanti bit di classe 2 (78) forniscono 456 bit che vanno iningresso al blocco d’interleaving. Si vede dunque che fra i bit informativi (260) prodotti ogni 20 ms, alcunivengono protetti di piu (quelli di classe 1a) altri meno (classe 1b) altri non vengono protetti per niente. Perquanto riguarda il blocco d’interleaving esso vede in ingresso 456 bit ogni 20 ms. Questi blocchi di 456 bitvengono ”mischiati” dal blocco interleaving nel seguente modo: i 456 bit consecutivi in ingresso al blocco diinterleaving vengono inseriti per righe in una matrice 114× 4. I 456 bit in uscita dal blocco di interleavingvengono costruiti rileggendo la matrice per colonne producendo cosı 4 blocchi di 114 bit. Ad ogni blocco di114 bit vengono associati 2 bit di flag denominati hl e hu che indicano se il burst trasmesso e veramente unTCH/FS o e stato ”rubato” da un ACCH. In questo modo si producono 116 bit (58 × 2) che andranno acostituire la parte informativa dell’NB descritto in Fig. 1.6. Oltre ai due bit hl e hu, vengono poi aggiunti6 bit di coda (TB in Fig. 1.6) che servono per la demodulazione la quale usa l’algoritmo di Viterbi. I bit diflag totali aggiunti ad ogni blocco di 114 bit sono dunque 8, ovvero i bit di flag per ogni blocco di 456 bitsono 32 (4× 8). Infine ad ognuno dei blocchi di 114 bit vengono aggiunti anche 26 bit di ”midambolo” (bitnoti che servono per sincronizzazioni di simbolo e per la stima del canale).

Percio, ogni canale TCH necessita di 24 slot ogni 120 ms (Fig. 1.9), ovvero 4 slot ogni 20 ms. Si fa notare,inoltre, che dato il bit rate di circa 270 kbit/s la lunghezza temporale di 148 bit trasmessi nello slot e inferiorealla lunghezza dell’NB di 0.577 ms. Il tempo in piu e occupato da un campo, detto spazio di guardia, incui non si trasmette. Lo spazio di guardia serve ad impedire che, data la non perfetta sincronizzazione trai vari utenti, i vari slot arrivino sovrapposti alla stazione base distruggendosi reciprocamente.

La trasmissione di 456 bit ogni 20 ms fornisce un valore di bit rate di 22.8 kbit/s, che e il valore di bitrate del canale TCH/FS.

Per quanto riguarda i canali TCH/HS, si ha una procedura di mappatura canale logico - canale fisicoidentica a quanto visto sopra, con la differenza che ogni utente utilizza un frame ogni due (il frame vuotoviene utilizzati da un altro utente). In questo modo i 456 bit possono essere prodotti ogni 40 ms, ovvero il

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Figura 1.9 Mappatura dei canali TCH

Figura 1.10 Codifica di canale SACCH

codificatore vocale lavora a 6.5 kbit/s. La qualita risulta ovviamente diminuita.

Passiamo ad analizzare i canali ACCH. Per quanto riguarda i SACCH essi sono caratterizzati da un bitrate di 382 b/s (molto lenti). Questi bit sono raggruppati in gruppi di 184 bit generati 0.48 s dai quali,col procedimento di codifica illustrato in Fig. 1.10, vengono generati 456 bit. Il primo codice (Fire code)e un codice blocco che introduce 40 bit di parita per il controllo di errore, mentre il secondo codice e uncodice convoluzionale che raddoppia il numero di bit trasmessi. I 4 bit in coda sono aggiunti per riportareil codificatore (a 16 stati) nello stato iniziale alla fine del processo di decodifica.

I 456 cosı prodotto vengono organizzati in 4 slot di 148 bit (aggiungendovi midambolo e flag, cosı comevisto in Fig. 1.8), che vengono inseriti insieme ai canali di traffico nella trama multiframe mostrata inFig. 1.6. In particolare, come dette precedentemente, dei 26 frame del multiframe, 2 non vengono utilizzatidai canali TCH. Uno dei due (il numero 12) viene ”rubato” dal canale SACCH (Fig. 1.11) che quindi

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Figura 1.11 Mappatura dei canali SACCH

ha a disposizione uno slot per multiframe (ogni utente ha a disposizione uno slot per multiframe per latrasmissione del SACCH in multiplazione TDMA). L’altro frame non utilizzato per canali di traffico e ilnumero 25. Tale frame viene utilizzato solo nel caso in cui si trasmetta il canale TCH/HS. Infatti, in questocaso, poiche ogni utente utilizza un frame ogni due alternativamente, si hanno 16 utenti che trasmettonocontemporaneamente in ogni portante. Percio, sono necessari 16 canali SACCH nel multiframe, ovverooccorre raddoppiare la capacita rispetto al caso TCH/FS.

Ricapitolando, per trasmettere i 4 slot del SACCH sono necessari 4 multiframe, per una durata di 0.48 s,che e proprio l’intervallo di tempo durante il quale vengono generai i 184 bit informativi del canale SACCH.

Per quanto riguarda il FACCH, esso produce 184 bit ogni 20 ms, alla velocita di 9.2 kbit/s (veloce).I 456 bit sono inseriti in 4 slot diversi proprio come per l’ SACCH, con la differenza che tali slot ven-gono ”rubati” da quelli riservati al TCH, che per un po’ e costretto ad interrompere la trasmissione. I flaghl e hu vengono utilizzati per segnalare al ricevitore che quello slot e uno slot FACCH invece di uno slot TCH.

Passiamo ad analizzare la mappatura dei canali di controllo (BCCH e CCCH). In questo caso, comeaccennato, vengono utilizzate due portanti comuni a tutti gli utenti della cella (una per l’uplink ed una peril downlink). I canali di controllo utilizzano una struttura multiframe composta da 51 frame. Ad ogni framee associato un canale di controllo secondo la struttura multiframe indicata in Fig. 1.12.

Per quanto riguarda il downlink, la prima parte del multiframe e suddivisa in 5 blocchi di 10 frame,mentre l’ultimo frame e un frame non utilizzato per la trasmissione di canali di controllo. Ogni gruppo di10 frame inizia con un canale FCCH seguito da un canale SCH. Nel primo gruppo di 10 frame, seguono altri4 canali broadcast (BCCH) e 4 canali CCCH che possono essere sia AGCH che PCH. Negli altri 4 gruppi di10 frame ai primi 2 frame FCCH e SCH seguono 8 canali CCCH (AGCH o PCH). Ogni stazione mobile haa disposizione in downlink 4 canali CCCH (che saranno AGCH in fase di accesso o PCH in fase di paging)corrispondenti a 4 slot temporali di altrettanti frame (viene usato lo slot zero per default mentre gli altrislot rimangono liberi per la trasmissione di altri canali). I pacchetti vengono costruiti come visto per il casoACCH in Fig. 1.10. Quindi 184 bit vengono mappati in 235 ms, alla velocita di 782 bit/s (medio-bassa). Perquanto riguarda invece il canale FCCH, esso utilizza la struttura del frequency correction burst mostratoin Fig. 1.7. I 142 bit fissi servono per trasmettere una riga spettrale a frequenza traslata rispetto a quelladella portante per i canali di controllo (infatti se si trasmettono tutti bit identici, si ha una riga spettralea frequenza data dalla portante piu 1/4T , dove T e il tempo di bit). Il canale SCH viene trasmesso infineattraverso il synchronisation burst mostrato in Fig. 1.7.

Per quanto riguarda l’uplink, tutti i frame vengono utilizzati da canali per l’accesso random al canaleRACH. In questo caso il burst utilizzato e l’Access Burst visualizzato in Fig. 1.7. I 36 bit informativipresenti nel pacchetto sono generati da un codificatore a correzione di errore 36/8. Percio, i bit informa-

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Figura 1.12 Mappatura dei canali di controllo nelle portanti comuni uplink e downlink

tivi veri e propri del canale RACH sono 8 ogni 235 ms (ogni utente trasmette un RACH per multiframe),corrispondenti ad una velocita di 34 b/s (bassissima). Si noti che la struttura dell’access burst prevede untempo di guardia (campo ”Guard”) pari a 68.25 bit, che, alla velocita di 270 kbit/s equivalgono a circa 250µs. Questo tempo e molto superiore a quello previsto per tutti gli utenti burst.

Il GSM prevede di operare con celle di raggio massimo pari a 35 Km. In questo caso il tempo che impiegail segnale dell’utente piu lontano per arrivare alla stazione mobile e di circa 115 µs. Questo vuol dire che ilmobile, quando ha effettuato la sincronizzazione alla BTS e vuole trasmettere un RACH, si trova a trasmet-tere l’inizio del suo burst con un ritardo di 115 µs rispetto all’istante esatto di inzio slot. inoltre, il burstarriva alla stazione base con un ritardo ulteriore di 115 µs dovuto alla propagazione in uplink, accumulandocosı un ritardo totale di circa 230 µs. Percio, affinche il burst trasmesso non vada a sovrapporsi al burstadiacente occorre che lo spazio di guardia in cui non avviene la trasmissione sia superiore a 230 µs. Questochiaramente dovrebbe valere per tutti i burst e non solo per l’access burst, il che comporterebbe un gran-dissimo spreco di capacita del sistema. Tuttavia, nelle procedure di segnalazione che seguono la richiesta dicanale, la stazione base informa il mobile del ritardo di sincronismo (la determinazione di tale ritardo vieneeffettuata dalla BTS). Nelle successive trasmissioni il mobile e in grado di correggere il sincronismo antici-pando l’inizio di trasmissione di un valore pari a quello comunicato dalla BTS. Questa procedura e nota colnome di Timing Advance. I timing advance potrebbe comunque non essere perfetto e lasciare quindi un cer-to errore residuo. Questo spiega la presenza di spazi di guardia anche negli altri burst (seppur molto minori).

Rimane infine da analizzare il canale SDCCH. Esso utilizza un’organizzazione di multiframe diversada quelle viste precedentemente. In particolare, vengono utilizzati i canali TACH/8 o TACH/4 che sonocostituiti da 8 o 4 slot per la trasmissione dei dati piu 4 slot per la trasmissione di segnalazione all’internodi una struttura multiframe di 102 frame di durata 0.47s. Cosı come nei canali di controllo anche i canaliTACH/8 e TACH/4 utilizzano un solo slot (quello numero zero per default) mentre lasciano gli altri liberi peraltri scopi (canali di traffico). I pacchetto vengono costruiti come visto nel caso ACCH in Fig. 1.10. Quindi456 bit vengono generati da 184 bit informativi. Nel caso TACH/4 si ha un bit rate di circa 184/0.47=391b/s (molto basso) mentre nel caso TACH/8 si ha un bit rate doppio.

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1.6.1 La modulazione nel sistema GSM

Nelle comunicazioni su mezzi mobili la potenza dei canali adiacenti deve essere inferior di almeno 60-80 dBrispetto a quella del segnale utile. Per questo motivo occorre che lo spettro del segnale d’uscita decrescarapidamente allontanandosi dalla frequenza della portante (banda stretta). Sono statio studiati a questoscopo dei sistemi di modulazione digitale a banda stretta per ridurre l’interferenza dei canali adiacenti, e adinviluppo costante per ridurre l’effetto del fading. Infatti, un modulatore di ampiezza in presenza di fadingavrebbe delle limitatissime prestazioni in termini di riconoscibilita del segnale ricevuto.

Per accedere ai canali GSM (200 kHz di larghezza a circa 270 kb/s) limitando i problemi ora descritti,il GSM utilizza una modulazione GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Essa e una modulazione adinviluppo costante ed appartiene alla categoria delle modulazioni a fase continua CPM (Continuous PhaseModulation) binarie con h = 0.5 il cui impulso di fase (gaussiano) in banda base g(t) e costruito filtrandoun impulso rettangolare di larghezza T con un filtro gaussiano (BT=0.3).

1.7 Procedure GSM

In questo paragrafo si affronteranno le varie procedure di una rete radiomobile GSM, cioe tutte quelleiterazioni tra gli elementi funzionali della rete che permettono di gestire le chiamate da rete fissa, retemobile, mobilita dell’utente.

1.7.1 Sincronia e aggiornamento di dislocazione

Il primo passo per ricevere un servizio dalla rete GSM e ovviamente quello di accedervi. Appena la stazionemobile viene accesa essa non e a conoscenza dell’area in cui si trova in quel momento (dislocazione). Laprima cosa da fare e sintonizzarsi sulla portante broadcast della cella ricevuta con maggior potenza. Perfar questo scansiona tutti i 124 canali alla ricerca della portante piu energizzata. Per semplificare questoprocesso il GSM memorizza nella SIM la frequenza dell’ultima stazione che ha servito la MS prima dellospegnimento, piu le frequenze broadcast di tutte le BTS vicine (trasmesse dal canale BCCH dalla cella).Al momento dell’accensione la MS iniziera a cercare proprio da queste frequenze. Appena determinata lafrequenza bradcast della BTS piu potente tenta subito di individuare l’FCCH (che come detto contienela portante non modulata). A questo punto la stazione e in grado di sincronizzarsi anche temporalmentenon appena ricevera il canale SCH (un SCH segue temporalmente un FCCH ogni 8 intervalli temporali).Fatto questo la stazione e in grado di decodificare tutte le informazioni broadcast diffuse dalla cella (BCCH).

Una volta stabilita l’identita della BTS e di quelle vicine, la MS deve scegliere una cella dove risiedere.Per far questo utilizza dei criteri di selezione:

• Livello di potenza della BTS ricevute dalla MS.

• Classe di potenza della stazione mobile.

• Area di dislocazione della MS.

Quest’ultimo criterio non privilegia, ovviamente, la qualita del collegamento radio bensı la minimizzazionedel traffico di segnalazione. Infatti, se la stazione mobile sceglie la stessa cella alla quale era sintonizzataprima dello spegnimento non sara necessario informare la rete della nuova posizione, risparmiando cosıtutto il traffico di segnalazione necessario. Viceversa, se la cella scelta e diversa dalla precedente, il passoda compiere e informare la rete della nuova posizione (aggiornamento di dislocazione). Per far questo enecessario scambiare informazioni con la rete.

Per instaurare un collegamento con la rete, la MS si sincronizza sul RACH (slotted-Aloha) e invia lapropria richiesta di accesso con specificato la motivazione (in questo caso aggiornamento di dislocazione).Essa poi si sincronizza sull’AGCH in attesa della risposta da parte della rete. La richiesta fatta dalla MS

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viene inoltrata al BSC il quale invia alla BTS un messaggio di assegnazione di canale da inoltrare sull’AGCH.Questo messaggio contiene informazioni sul canale allocato, come il tipo di canale logico (SDCCH), frequenzadel canale (fisico), slot temporale, timing advance e livello di potenza di trasmissione iniziale. E’ importantesottolineare che si tratta del primo scambio di informazioni tra mobile e rete con impegno della rete da partedella MS.

Questo procedimento viene ripetuto tutte le volte che la MS deve accedere alla rete per avere un servizio(attivazione di chiamata, risposta ad un paging, ecc), cio che cambia e ovviamente la motivazione contenutanel RACH.

A questo punto la MS puo inviare la richiesta di servizio alla rete assieme al codice TMSI (con ilquale dichiara la propria identita) sull’SDCCH. La richiesta giunge fino all’MSC/VLR che controlla lacella dove risiede l’MS. A questo punto il VLR procede con l’autenticazione dell’utente. L’autenticazioneavviene secondo uno schema sfida-risposta: il VLR manda una richiesta di autenticazione alla stazionemobile sull’SDCCH con un messaggio di sfida (RAND). La stazione mobile, in base alla propria chiavedi autenticazione ki (contenuto nella SIM) e l’algoritmo A3, calcola la risposta corrispondente alla sfida(SRES). I risultati vengono spediti al VLR il quale li confronta con quelli attesi. Se la risposta corrispondea quella attesa l’utente e considerato autorizzato.

Poiche, come detto precedentemente, il database che contiene le informazioni sull’autenticazione degliutenti e l’AuC, le informazioni necessarie all’autenticazione (RAND, SRES e ki) devono essere richieste dalVLR all’HLR che e l’incaricato (unico) di interagire con l’AuC.

Uno degli aspetti notevoli del GSM e che esso permette comunicazioni sicure (nella tratta MS-BTS)grazie alla cifratura dei dati. Per ottenere la cifratura dei dati la sfida RAND e la chiave ki vengono usaticome ingressi all’algoritmo di cifratura A8 il quale produce la chiave di cifratura kc. La chiave kc e il numerodi trama verranno usati per cifrare i dati dell’utente (algoritmo A5) in tutte le comunicazioni successive (traMS e BTS).

Senza la chiave opportuna, nel caso in cui la trasmissione fosse intercettata tra MS e BTS, i dati ricevutirisulterebbero indecifrabili.

Una volta autenticato l’utente (e stabilita la chiave di cifratura) si procede con l’aggiornamento di dislo-cazione. Qui abbiamo due scenari: se l’utente era precedentemente registrato presso il VLR corrente basteraaggiornare (eventualmente) solo la nuova LA (di cui il VLR e gia a conoscenza). Viceversa se l’utente eraprecedentemente registrato presso un VLR diverso si deve procedere con la registrazione dell’utente nelnuovo VLR. A questo punto si instaurano una serie di scambi di informazione nessuno dei quali interessadirettamente l’utente. Il VLR corrente interroga l’HLR dell’utente richiedendone i dati relativi. Contempo-raneamente l’HLR memorizza il nuovo VLR che sta servendo l’MS (per permettere all’MSC di instradare lechiamate) e invia un messaggio di cancellazione di dislocazione al VLR precedente.

Come operazione conclusiva dell’aggiornamento il VLR invia alla MS il nuovo TMSI che verra sostituitoal precedente nella SIM. Quest’ultima operazione e la prima ad essere effettuata sotto cifratura. Ogni ulte-riore comunicazione avverra con cifratura.

A questo punto la stazione mobile rimane in attesa di qualche evento come un aggiornamento didislocazione periodico, una chiamata da parte dell’utente, da parte della rete mobile o fissa oppure unhandover.

1.7.2 Chiamata dalla rete mobile

Supponiamo che un utente della rete mobile voglia contattare un utente della rete fissa PSNT (Fig. 1.13).L’impostazione di una chiamata prevede gli stessi passi descritti precedentemente fino all’autenticazione del-l’utente. La differenza e che stavolta il motivo del collegamento di comunicazione tra la rete e l’MS e diverso.

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Figura 1.13 Chiamata dalla rete mobile

Una volta autenticato l’utente iniziano una serie di scambi di messaggi (la cui forma deriva direttamentedall’ISDN) tra mobile e rete.

La MS invia un messaggio di impostazione (SETUP) all’MSC sul collegamento (gia stabilito) SDCCH,che a sua volta l’MSC invia al VLR. Il messaggio contiene il numero dell’utente chiamato e la capacitadi trasporto necessaria per il tipo di comunicazione. Da quest’ultima informazione l’MSC e in grado dicapire se si tratta di una comunicazione vocale o dati e puo allocare cosı il canale opportuno. Il VLR,una volta verificato che la chiamata possa essere inoltrata, trasmette un messaggio all’MSC (COMPLETECALL) che a sua volta avvisa la stazione mobile chiamante con un messaggio di chiamata inoltrata (CALLPROCEEDING). Contemporaneamente l’MSC trasmette un messaggio al BSC contenente un comando diassegnazione del canale di traffico (che puo essere un TCH/FS, TCH/HS, TCH/F9.6, ecc. a seconda dellarichiesta fatta dalla stazione mobile).

L’MSC a questo punto contatta la PSTN inviandogli un messaggio (ADDRESS INITIAL MESSAGE),come risposta ottiene un messaggio (ADDRESS COMPLETE MESSAGE) che indica che la parte chiamatae stata avvisata. A questo punto l’utente chiamante (mobile) sente un il tono di chiamata.

Quando il destinatario risponde, dalla PSTN viene inviato un messaggio (ANSWER) all’MSC. Quest’ul-timo connette il canale di traffico GSM al circuito PSTN completando cosı la comunicazione tra i dueabbonati che possono iniziare la conversazione.

1.7.3 Chiamata dalla rete fissa

Analizziamo ora lo scenario di una chiamata da rete fissa. Un abbonato della rete fissa (PSTN) compone ilnumero telefonico (MSISDN) di un’abbonato della rete GSM. La PSTN e in grado, osservando la prima parteal numero MSISDN (prefisso), di instradare la chiamata al Gateway MSC (GMSC) della rete dell’abbonato.A questo punto il GMSC, sempre in base all’MSISDN, contatta l’HLR di appartenenza dell’abbonato (incui e stato registrato al momento del contratto) il quale e a conoscenza del VLR corrente nel quale eregistrato attualmente l’abbonato (dislocazione). L’HLR a sua volta chiede al VLR corrente quale MSCcontattare e il VLR risponde comunicando l’MSRN (cioe l’identificativo di MSC che serve per instradareuna chiamata all’interno della rete). L’HLR a sua volta comunica l’MSRN al GMSC il quale puo oracontattare direttamente l’MSC che sta servendo l’utente mobile.

A questo punto l’MSC avvisa il VLR della chiamata in arrivo il quale restituisce il LAI (identificativodella location area). L’MSC effettua quindi il ”paging request” (Fig. 1.14) a tutte le BSC che fanno partedi quella LA, tale richiesta viene trasmessa da tutte le BTS sul canale broadcast PCH.

Nel momento in cui la stazione mobile riconosce il proprio TMSI (contenuto nel messaggio di paging) essarisponde con una richiesta di collegamento sul canale RACH (stessa procedura vista per l’aggiornamento didislocazione ).

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Figura 1.14 Esempio di paging request

Una volta stabilito il collegamento SDCCH la stazione mobile invia un messaggio di ”paging response”all’MSC (Fig. 1.14) il quale, a sua volta, lo inoltra al VLR. Il VLR, una volta appreso che la ricerca eandata a buon fine, invia un messaggio di impostazione (COMPLETE CALL) al mobile il quale risponde(sempre su SDCCH) con un messaggio di conferma (CALL CONFIRMATION) informando la rete che ilmessaggio di impostazione e stato ricevuto. Dopo la conferma da parte del mobile l’MSC assegna un canaledi traffico al BSS che a sua volta assegna un TCH al mobile. A questo punto la stazione mobile avvisal’utente della chiamata in arrivo mediante un segnale acustico (suoneria). Contemporaneamente il segnaleCALL CONFIRMATION giunge all’utente della rete PSTN il quale sente un tono di chiamata. Quandol’utente GSM risponde al telefono, la MS invia un messaggio di connessione (CONNECT) all’MSC, il qualelo invia al GSMC che a sua volta lo invia all’utente PSTN. Allo stesso tempo GMSC e MSC interconnettonoun canale di traffico GSM e un circuito PSTN attivando la comunicazione tra gli utenti.

1.7.4 Handover

Con il termine handover (o handoff per i sistemi cellulari americani) si intende uno scambio radio assistitodalla rete che permette di mantenere una chiamata mentre la MS cambia cella (Fig. 1.15). Una rete cellulareche non garantisse questa possibilita non sarebbe di fatto una rete radiomobile.

Esistono 4 tipi di handover in una rete GSM, che riguardano il trasferimento della comunicazione tra:

• canali diversi di una stessa cella (BTS);

• celle diverse controllate dallo stesso BSC;

• celle appartenenti a BSC diversi ma controllate dallo stesso MSC;

• celle controllate da MSC diversi;

I primi 2 sono chiamati handover interni mentre gli altri sono handover esterni.In un processo di handover la stazione mobile gioca un ruolo attivo e fornisce molte informazioni utili

all’algoritmo di handover. Per assistere il processo di handover la MS compie delle misure sulla qualita delcollegamento in downlink durante i time slot di inattivita. Tali misure consistono nella determinazione deltasso di errore per bit e del livello di potenza dei canali broadcast (BCCH) ricevuti sia dalla BTS attiva chedalle BTS vicine. Queste informazioni vengono poi trasmesse alla BTS, tramite il canale SACCH.

La qualita del collegamento in uplink (tasso di errore sul bit e potenza ricevuta) viene invece misuratadalla BTS e inviata alla BSC insieme alle informazioni relative alla distanza della MS (time advance) e ai

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Figura 1.15 Handover

dati raccolti dalla MS. La BSC quindi contiene tutte le informazioni sulle qualita delle proprie connessioni.La decisione di effettuare un handover e basata sull’osservazione di tutti i dati (MS e BTS) usando appositialgoritmi di handover. esistono a tal proposito almeno due algoritmi per la decisione di effettuare un han-dover: Minimum Acceptable Performance e Power Budget.

Qualora sia rilevata la necessita di un handover, la scelta della nuova cella tiene conto non solo deilivelli di potenza radio, misurati dal radiomobile, della cella attiva e di quelle adiacenti, ma anche da altriparametri di sistema come la potenza irradiata dall’MS, la tipologia della cella, ecc.

L’output di questo processo e una lista di 6 celle candidate, organizzate a partire dalla migliore. Dopoche e stata presa la decisione di effettuare l’handover e dopo avere individuato al cella migliore, la stazionemobile e la rete entrano nella fase di esecuzione dell’handover. L’informazione di segnalazione che la MSscambia con la BTS puo essere minore o maggiore a seconda che si tratti di handover interno o esterno. Perquesto motivo il canale di segnalazione utilizzato per l’esecuzione di un handover deve essere necessariamenteun canale veloce (FACCH).

Il caso piu semplice si ha quando le celle appartengono allo stesso BSC (Fig. 1.15): in tal caso il BSCinvia (tramite FACCH) un comando di handover (HANDOVER COMMAND) che contiene informazionicirca il nuovo canale da utilizzare. L’MS semplicemente cambia canale ed invia il messaggio HANDOVERCOMPLETATED al BSC.

Nel caso di BSC diversi (ma stesso MSC), il BSC avvisa l’MSC tramite un messaggio HANDOVER RE-QUIRED. L’MSC, quindi, invia un messaggio di HANDOVER REQUEST, contenente il TMSI del mobile,al nuovo BSC. Il BSC, ricevuta la richiesta dall’MSC assegna un canale TCH che verra usato dalla stazionemobile. A questo punto il BSC di origine invia l’ordine HANDOVER COMMAND alla stazione mobileaffinche acquisisca il nuovo canale.

Nell’ultimo caso trattiamo l’handover tra celle appartenenti a due MSC diversi (a e b). In questo casoil BSC-a invia la richiesta (HANDOVER REQUIRED) al proprio MSC-a la quale viene ”girata” all’MSC-bche controlla la cella di destinazione. L’MSC-b comanda al BSC-b di prepararsi ad un handover, quindiil BSC-b assegna un canale di traffico al nuovo BTS e risponde al proprio MSC con un HANDOVERREQUEST ACK. L’MSC-b invia all’MSC-a le informazioni relative all’handover ed al nuovo canale ditraffico assegnato dopodiche l’MSC-a puo trasmettere alla MS i comandi necessari affinche cambi canale(come visto precedentemente).

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1.8 Riepilogo dei principali parametri tecnici

Per finire proponiamo un quadro riassuntivo dei principali aspetti tecnici della rete GSM.

• Banda 890-915 MHz (uplink) e 935-960 MHz (downlink).

• Accesso multiplo FDMA/TDMA a 8 utenti per portante.

• 124 canali a 200 kHz con un bit rate di 270 kb/s.

• Modulazione GMSK ad inviluppo costante con prefiltraggio gaussiano BT=0.3.

• Slow Frequency Hopping con TH = 0.57 ms.

• Codifica della voce con RPE-LTP-LPC a 13 kb/s (full rate) e a 6.5 kb/s (half rate).

• Timing advance fino a 230 µs.

• Controllo dinamico di potenza (DPC) sulle trasmissioni in uplink e in downlink.

• Trasmissione discontinua (DTX) con rilevazione vocale (VAD).

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Capitolo 2

La rete GPRS/GSM

2.1 Introduzione alle reti mobili a pacchetto

I primi sistemi radiomobili analogici sono anche noti come sistemi wireless di prima generazione (1G). Conl’introduzione del standard GSM e nata la seconda generazione (2G) di sistemi mobili, la cui caratteristicae quella di usare una tecnica di modulazione digitale con tutti i vantaggi che cio comporta.

Il futuro delle reti radiomobili e quello di integrare sempre piu una pluralita di servizi, quali comunicazionevocale, videocomunicazione, trasmissioni dati, internet, ecc.

Purtroppo per quanto riguarda la rete GSM, essa permette (come visto) la trasmissione dei dati ad unrate non superiore a 9.6 kb/s (piuttosto basso). I motivi per cui la rete GSM non si presta al traffico datisono principalmente due. In primo luogo la rete GSM permette l’utilizzo di un solo slot per utente, il cheimpedisce lo sfruttamento della capacita del canale anche quando e disponibile. Il secondo motivo e chela rete GSM utilizza una commutazione di circuito. Un utente che volesse comunicare con un’altro utente(sia che si tratti di traffico voce o dati) deve fare una richiesta di collegamento alla rete, la quale, se larichiesta viene accolta, instaura un percorso esclusivo per i due utenti riservato per l’intero periodo dellaconversazione. Solo alla fine della comunicazione si avra il rilascio delle risorse che potranno essere riallocatead altri utenti. Questo tipo di commutazione e estremamente adatta a comunicazioni vocali, in quantogarantisce l’ordine nell’arrivo dei dati e il ritardo massimo di ricezione. Purtroppo, pero, utilizzare la com-mutazione di circuito per il traffico dei dati e estremamente inefficiente, specialmente se il traffico dati e ditipo interattivo o ”burty”, in quanto le risorse della rete restano allocate anche durante i periodi di inattivita.

La rete GPRS (General Packet Radio Service), introdotta dall’ETSI con lo standard GSM 03.60, nasceproprio con lo scopo di assistere la rete GSM (alla quale si appoggia) per tutto cio che riguarda il trafficodati a commutazione di pacchetto. La rete GPRS e nota anche come sistema di generazione 2.5 in quantorappresenta un passaggio intermedio tra i precedenti sistemi di ”telefonia” mobile (1G e 2G) e i nuovi sistemidi comunicazione personale (non solo telefonica) di terza generazione (3G) come l’UMTS.

La rete GPRS si differenzia dalla rete GSM innanzitutto per la commutazione a pacchetto: questapermette di multiplexare piu connessioni sullo stesso canale fisico. Ogni risorsa (canale fisico) e condivisatra piu utenti senza che venga assegnata in modo esclusivo; cio permette un uso molto efficiente della bandadisponibile. Inoltre, il GPRS prevede un’assegnazione molto flessibile delle risorse: a seconda delle necessitadegli utenti (classe multislot) la rete puo allocare da 1 a 8 time slot sulla stessa portante in cui l’utente puotrasmettere (il bit rate va da 9.05 a 171.2 kb/s). In particolare utilizzando tutti gli 8 slot di una portantesi possono trasferire fino a 171.2 kbit/s lordi (molto piu veloce del GSM).

Un’altra differenza rispetto al GSM e che il GPRS non richiede nessun setup per accedere alla rete(l’instaurazione di un collegamento e quindi molto velocizzata); il terminale dell’utente e sempre connesso ela tariffazione, percio, non avviene piu sul tempo in cui le risorse restano allocate bensı sul volume di datitransitati.

L’aumento della velocita di trasmissione permette all’utente, che fino ad oggi usufruiva di servizi estrema-mente lenti come il WAP, di accedere a servizi molto piu potenti ed evoluti. Ma l’aspetto piu apprezzatodalla maggior parte dei consumatori e probabilmente la compatibilita con la rete internet. Infatti, essendo

Capitolo 2. La rete GPRS/GSM

Figura 2.1 Architettura della rete GPRS/GSM

basata sul protocollo IP, la rete GPRS permette di accedere a tutti i servizi disponibili sulla rete. La reteGPRS puo essere considerata, di fatto, la prima estensione wireless della rete internet.

2.2 L’architettura della rete GPRS

Come gia detto precedentemente, la rete GPRS nasce per affiancare la rete GSM esistente allo scopo difornire un servizio di trasporto dati a commutazione di pacchetto alternativo a quello offerto dalla reteGSM.

La rete GPRS, oltre che utilizzare le risorse radio della rete GSM, utilizza, per quanto e possibile, anchegli elementi funzionali gia presenti (Fig. 2.1). Di seguito diamo una descrizione di quali sono le novitaintrodotte nell’architettura della rete GSM/GPRS.

Per cio che riguarda il terminale mobile (MS) dell’utente, questo puo essere un PC collegato ad uncellulare GPRS oppure un terminale palmare PAD (Personal Digital Assistant) GPRS compatibile.

Il sistema di accesso alla rete (BSS) prevede l’aggiunta di un’unita di controllo PCU (Packet ControlUnit) presso il BSC (Fig. 2.1), mentre le BTS e l’MSC non necessitano di nessun cambiamento (salvol’aggiornamento del software). Il compito del PCU e quello di sollevare il BSC dalla gestione del traffico deidati a pacchetto proveniente dalle BTS controllate.

A livello BSC/PCU il traffico complessivo (voce e dati) proveniente dalle BTS viene separato: il trafficovoce viene inviato all’MSC tramite la rete a commutazione di circuito GSM classica, mentre il traffico dativiene immesso nella nuova rete a commutazione di pacchetto GPRS (vedi Fig. 2.1).

Le variazioni piu significative riguardano, invece, il sottosistema di rete. In particolare e necessario unnuovo GPRS Core Network (uno per ogni rete) composto da due nuovi tipi di nodi di rete detti GSN (GPRSsupport node): l’SGSN e il GGSN.

L’SGSN (Service GPRS Support Node) e l’equivalente di un MSC (stesso livello gerarchico) funzionantea pacchetto ed e connesso alla stazione base tramite un collegamento Frame Relay. I suoi compiti, del tuttoanaloghi a quelli dell’MSC, sono: ricevere ed inviare i pacchetti da e verso i terminali mobili dislocati nellapropria area (SGSN service area); gestire la mobilita degli utenti; autenticare gli utenti, applicare algoritmidi compressione e di cifratura dei dati (per questo utilizza le stesse procedure e gli stessi algoritmi utilizzatidalla rete GSM). Per fare cio deve interagire con i database e memorizzare alcune informazioni relative alladislocazione (quali la cella corrente e il VLR corrente) e i profili d’utente (come l’IMSI e l’indirizzo di reteassegnato alla MS) di tutte le MS registrate presso l’SGSN.

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Il GGSN (Gateway GPRS Support Node) ricopre il ruolo di interfaccia verso una rete a pacchetto esterna(IP o X.25) ed e connesso all’SGSN tramite una dorsale basata sul protocollo IP. I suoi compiti sono quellidi convertire i pacchetti GPRS che provengono dagli SGSN nei formati PDP (Packet data protocol) com-patibili con le reti esterne e viceversa, mediante protocolli di tunnelling. Inoltre, e responsabile dell’inoltrodei pacchetti destinati alle reti PDN. Nell’altra direzione e responsabile dell’instradamento dei pacchetti,provenienti da reti esterne (PDN), verso l’SGSN che serve il terminale destinatario (vedi Fig. 2.1); gliindirizzi di rete dei pacchetti entranti vengono convertiti nell’indirizzo GPRS del destinatario, dopodichevengono spediti all’SGSN che gestisce l’MS.

In generale esiste una corrispondenza ”many to many” tra gli SGSN e i GGSN; un GGSN serve dainterfaccia di una rete esterna a molti SGSN e viceversa un SGSN puo instradare i propri pacchetti a diversiGGSN ciascuno relativo ad una diversa rete a pacchetto.

Per cio che riguarda i database il GPRS utilizza gli stessi utilizzati dal GSM (l’accesso puo avveniredirettamente o su richiesta all’MSC). I data base dovranno, quindi, gestire anche i dati degli abbonati alservizio GPRS.

In figura 2.1 sono mostrate anche le interfacce tra i nuovi nodi di rete cosı come sono state definitedall’ETSI. Attraverso le interfacce Gb e Gn transitano i dati utili e di segnalazione degli utenti; l’interfacciaGn (definita tra due nodi GSN) permette a due nodi di rete di scambiare informazioni sull’utente quandola MS si muove da una area SGSN ad un’altra. L’interfaccia Gi collega la rete GPRS con una rete esternaa pacchetto.

Possono esistere due tipi di backbone GPRS: la intra-PLMN backbone la quale collega i nodi GSN diuna stessa rete PLMN e la inter-PLMN backbone, la quale collega nodi appartenenti a diverse PLMN. Ilgateway tra la PLMN e la dorsale inter PLMN esterna e detto ”gateway di confine”. La dorsale inter-PLMNpermette lo scambio delle informazioni necessarie per la gestione della mobilita degli utenti tra reti differenti(roaming). Il roaming deve essere supportato da specifici accordi tra i gestori delle rispettive reti.

La rete GPRS prevede diverse modalita operative a seconda della classe a cui appartengono le stazionimobili: classe A, B e C.

Le stazioni mobili di classe A possono usufruire dei servizi GSM (chiamata vocale) e GPRS (connessionedati) contemporaneamente; quelle di classe B possono registrarsi in entrambe le reti ma non possono ac-cedere ai due servizi contemporaneamente; infine, le stazioni mobili di classe C possono registrarsi solamentead una rete (GSM o GPRS) alla volta.

La rete GPRS fornisce anche due differenti topologie di servizio: PTP (Point To Point) e PTM (PointTo Multipoint).

Un servizio PTP puo essere a sua volta di tipo CLNS (Connection Less) o CONS (Connection Oriented).Nel caso PTP-CLNS i pacchetti inviati al destinatario sono indipendenti tra loro; e un servizio noto comeservizio a datagramma e puo essere utile per supportare applicazioni bursty di tipo non interattivo. Viceversail servizio PTP-CONS stabilisce una relazione logica virtuale tra sorgente e destinatario dei pacchetti, cheresta attiva durante tutta la durata della connessione. La differenza rispetto alla commutazione di circuito eche le risorse vengono rilasciate quando ogni singolo pacchetto e stato trasferito (mantenendo la connessionelogica). Inoltre, nella fase di setup, viene stabilito un percorso (route) che sara seguito dai pacchetti (circuitovirtuale). Questo sevizio di trasporto e piu adatto ad applicazioni interattive in tempo reale.

I servizi PTM riguardano piu di un utente destinatario; in questo caso l’indirizzamento dei pacchettiavviene su base geografica.

2.2.1 La struttura del protocollo GPRS

Il trasferimento dei dati tra le entita della rete GPRS e regolato da una serie di protocolli a pila. In figura2.2 sono mostrati gli schemi delle pile protocollari, con relative interfacce, implementate nei vari elementidella rete.

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Figura 2.2 Pila protocollare GPRS

Tra due nodi della rete (SGSN o GGSN) il protocollo GTP (GPRS Tunneling Protocol) incapsula lePDU (Protocol Data Unit) di livello rete (IP o X.25) aggiungendovi le informazioni necessarie per il routing.Sotto il GTP troviamo i protocolli TCP/UDP e IP utilizzati per il trasporto dei dati sulla dorsale GPRS.

Tra la BSS e l’SGSN il protocollo BSSGP (BSS GPRS Protocol) ha il compito di operare il trasferimentodelle informazioni di routing e di dati riguardanti la QoS tra la BSS e l’SGSN. Esso utilizza il Frame relaycome meccanismo di trasporto.

Il protocollo responsabile dello scambio dei dati tra la stazione mobile e l’SGSN e, invece, l’SNDCP (SubNetwork Dependent Convergence Protocol). Esso provvede al multiplexing di piu connessioni del livello direte in una sola connessione logica a livello LLC; inoltre, e responsabile della compressione e decompressionedei dati. Sotto l’SNDCP c’e il sottolivello LLC (Logical Link Control) che garantisce un collegamento logicoaffidabile tra l’MS e l’SGSN da cui e controllato. Percorrendo la pila (MS o BSS) verso il basso troviamoil livello RLC (Radio Link Control) che e responsabile del collegamento tra la stazione mobile e la stazioneradio base; esso realizza la segmentazione e il riassemblaggio dei dati di livello superiore in blocchi RLC.

L’ultimo sottolivello (del livello Data Link) e il MAC (Medium Access Control) il quale abilita le stazionimobili a condividere uno o piu canali fisici. Infine troviamo il livello fisico, composto dai sottolivelliPLL (Physical Link Layer) e RFL (Radio Frequency Layer), il quale fornisce il servizio di trasferimentodell’informazione sul canale fisico tra la stazione mobile e la rete GSM/GPRS.

2.3 Canali logici

In questo paragrafo illustreremo le differenze tra le interfacce radio dei sistemi GSM e GPRS. L’estenzionedel GSM al GPRS prevede l’aggiunta di alcuni canali logici (alternativi a quelli gia visti per il GSM) sia ditraffico che di controllo tali da permettere alla rete GSM/GPRS di gestire anche i dati a pacchetto.

Per quanto riguarda i canali di traffico la rete GSM/GPRS prevede l’utilizzo di canali PDTCH (PacketData Traffic Channel) per il trasporto di dati a commutazione di pacchetto. Un PDTCH corrisponde allerisorse allocate ad un mobile su un singolo canale fisico (slot) per la trasmissione dei dati. A causa del

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multiplexing dinamico di differenti canali logici (utenti) sullo stesso canale fisico, il rate istantaneo di uncanale PDTCH puo variare da 0 ad un massimo di 22.8 kb/s.

All’interno dei canali di controllo, e in particolare i canali broadcast (BCH), e necessario introdurre unnuovo canale: il PBCCH (Packet Broadcast Control Channel). Il canale PBCCH e analogo al BCCH eserve per trasmettere in broadcast tutti i parametri necessari, alle stazioni mobili di una cella, per accederealla rete e poter trasmettere i propri pacchetti. Inoltre, sul PBCCH viene replicata la trasmissione ditutte le informazioni broadcast del canale BCCH. Questo permette di accedere alla rete con funzionalitaa commutazione di circuito (GSM). Questa ridondanza di informazione consente ai mobili attivi GPRScompatibili di accedere ai servizi GSM monitorando un solo canale (anziche due) per entrambe le funzionalita.L’esistenza del canale PBCCH, che e facoltativa, e dichiarata sul BCCH; nel caso in cui il PBCCH non fossepresente spetta al BCCH trasmettere tutte le informazioni relative alla trasmissione a pacchetto.

Sempre all’interno dei canali di controllo e presente una nuova categoria di canali comuni per la commu-tazione di pacchetto: i PCCCH (Packet Common Control Channels). Essi si dividono in: PPCH (PacketPaging Channel) analogo al PCH, serve ad informare il terminale mobile di una richiesta di trasferimentodi pacchetti in downlink; il PRACH (Packet Random Access Channel), analogo al RACH, e utilizzato inuplink da una MS per richiedere l’allocazione di uno o piu PDCCH. Questo puo avvenire quando la MSdesidera inizializzare una sessione GPRS (per trasferire dei pacchetti) oppure per rispondere ad un pagingdiffuso dalla rete.

Il PAGCH (Packet Access Grant channel), analogo all’AGCH per la commutazione di circuito, e utilizzatoin downlink per assegnare le risorse (uno o piu PDCCH) alla MS. Infine il PNCH (Packet NotificationChannel), usato in downlink, serve a notificare alla stazione mobile un trasferimento di pacchetti PTM-M(Point to Multipoint-Multicast).

Analogamente a quanto visto prima, se i canali PCCCH non sono presenti, tutte le funzionalita appenadescritte devono essere svolte dai canali CCCH.

Tra i canali ACCH compaiono i canali duplex PACCH (Packet Associated Control Channel) i qualisono associati ad uno o piu PDTCH (assegnati alla MS) e servono per il trasporto dell’informazione disegnalazione. Essi trasportano informazioni quali gli ACK (acknowledgments), i comandi per il controllodella potenza e i messaggi di assegnazione e rilascio delle risorse.

I PTCCH/U (Packed Timing Advance Control Channel in Uplink) vengono utilizzati dal mobile pertrasmettere dei burst di accesso (con tempi di guardia lunghi) i quali consentono alla BTS di misurare iltiming advance relativo alla comunicazione di pacchetto. I PTCCH/D (Packet Timing Control Channel inDownlink) vengono utilizzati per trasmettere i valori di timing advance a un certo numero di stazioni mobili(un PTCCH/D puo essere associato a uno o piu PTCCH/U).

2.4 Allocazione delle risorse

Come e stato detto, il GPRS utilizza le stesse risorse radio del GSM con la differenza che ogni risorsa none assegnata in modo esclusivo bensı condivisa tra piu utenti (in uno stesso slot possono confluire pacchettidi diverse MS). Di conseguenza le risorse vengono allocate solo quando avviene l’effettivo trasferimento deidati; durante le pause di trasmissione o di ricezione di una sessione GPRS le risorse vengono rilasciatepur mantenendo la connessione logica. L’altre differenza e che il GPRS permette ad un singolo utente ditrasmettere su piu di uno slot per frame (a seconda della classe multislot a cui appartiene).

La suddivisione delle risorse GSM/GPRS di una cella tra le due tipologie di traffico (voce o dati apacchetto) puo essere fissa o dinamica. Nel primo caso la suddivisione viene aggiornata ogni qual volta siha una nuova connessione dati; ogni tipo di traffico mantiene poi i canali che gli sono stati assegnati in baseal numero di connessioni dati attive. Questo tipo di assegnazione pero non e efficiente, infatti, puo capitareche un tipo di traffico sprechi risorse mentre l’altro soffra di congestioni (o blocchi di chiamata).

La suddivisione dinamica consiste, invece, nel dividere l’insieme delle risorse della cella in tre gruppi: ilprimo gruppo e assegnato permanentemente al traffico a commutazione di circuito, il secondo al traffico acommutazione di pacchetto e il terzo gruppo contiene canali assegnati dinamicamente a l’uno o all’altro tipo

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di traffico a seconda delle necessita (tecnica del ”doppio confine mobile”). Ovviamente il numero minimodi canali da assegnare al primo e al secondo gruppo deve essere determinato in funzione rispettivamente delcarico di chiamate vocali della cella e del QoS richiesto dalle applicazioni supportate.

La mappatura dei canali logici nei canali fisici e definita, analogamente al GSM, su una struttura amultiframe. Nel GPRS il multiframe e composto da 52 frames (come per i canali dati GSM). Quattroframes TDMA consecutivi vengono definiti un ”blocco radio”, di conseguenza un multiframe e costituitoda 12 blocchi radio (48 frames). I 4 frames per multiframe che rimangono vengono cosı utilizzati: 2 framesservono per il controllo del timing advance e 2 per la misura dell’interferenza.

L’insieme dei time slot aventi lo stesso numero (per esempio tutti i TS1) di un blocco radio e chiamato”blocco radio RLC/MAC”; esso costituisce l’unita di base per il trasferimento dei dati nel GPRS.

Si definisce Temporary Block Flow (TBF) la connessione logica usata per supportare il trasferimento diun certo numero di blocchi radio. I TBF vengono assegnati dinamicamente dai PCU e vengono rilasciatialla fine della trasmissione dei dati ad essi associati. Per rendere possibile il multiplexing dei vari flussiattraverso lo stesso PDTCH, ad ogni TBF viene associato un Temporary Flow Identifier (TFI) il quale deveessere riportato nell’header di ogni blocco.

L’assegnazione delle risorse (cioe dei canali fisici adibiti al traffico a pacchetto) alle MS avviene in duefasi: nella prima la rete assegna all’MS, che ne fa richiesta, i PDTCH sui quali puo trasmettere. Per farequesto puo seguire due criteri:

• Minimizzazione del carico: quando una stazione mobile di classe multislot x vuole stabilire un TBF larete gli assegna gli x PDTCH meno carichi (cioe condivisi da meno utenti).

• SAFE: l’algoritmo classifica i canali disponibili in ”canali sicuri” e ”canali a rischio”. Per i primi laprobabilita di essere occupati da una chiamata vocale e bassa. Viceversa, i secondi hanno una altaprobabilita di essere occupati. Se una stazione vuole stabilire un TBF le rete gli assegna gli x/2 canalisicuri meno carichi e gli x/2 canali a rischio meno carichi.

Una volta assegnati i PDTCH sui quali trasmettere, la rete deve spartire i blocchi radio di ciascuncanale tra tutti gli utenti ai quali e stato assegnato. Per fare questo la rete GPRS si avvale di meccanismi discheduling i quali evitano la sovrapposizione degli utenti. L’allocazione delle risorse alle stazioni mobili puoessere fissa o dinamica: l’allocazione fissa avviene informando ogni MS su quali blocchi radio del multiframeessa e abilitata a trasmettere. L’allocazione dinamica, invece, prevede l’uso dell’Uplink State Flag (USF).L’USF e compreso nell’header del MAC di ogni blocco in downlink e indica quale stazione puo trasmettere(in uplink) nel blocco successivo.

Di seguito elenchiamo i meccanismi di scheduling proposti per la rete GPRS:

• FCFS: i blocchi di un utente vengono trasmessi interamente fino all’esaurimento (comprese le eventualiritrasmissioni), l’utente che puo trasmettere i suoi blocchi viene scelto col criterio ”first come firstserved”, cioe il primo a cui e stato assegnato il canale e il primo a trasmettere.

• FCFS a priorita: e identico al precedente con la differenza che viene data la priorita ai blocchi maitrasmessi; un’utente non puo ritrasmettere se e presente almeno un utente che deve trasmettere blocchiper la prima volta.

• Round Robin: i blocchi radio vengono spartiti equamente tra tutti gli utenti presenti (sullo stessocanale fisico). Tutte le volte che un utente viene connesso o sconnesso da un canale fisico si ha unaridistribuzione dei periodi di blocco del canale.

• Round Robin a priorita: e identico al precedente con al differenza che viene data la priorita ai blocchimai trasmessi.

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Figura 2.3 Schema di codifica dei dati

2.4.1 Codifica dei dati

Lo standard GPRS prevede quattro schemi di codifica (CS, coding schemes) dei dati: CS-1, CS-2, CS-3e CS-4. Questi schemi si distinguono solamente per il livello di protezione: in particolare lo schema CS-1e quello che offre la maggior protezione (alta ridondanza) al costo di un piu basso throughput. il CS-1puo essere applicato sia ai canali di traffico che a quelli di controllo; gli altri tre schemi, con protezionedecrescente, possono essere applicati solo a canali di traffico.

Il processo di codifica dei dati e identico per tutti i 4 schemi ed e descritto in Fig. 2.3. La PDU del livellodi rete (IP o X.25) viene segmentata dal protocollo SNDCP (vedi Fig. 2.2) e inviata al livello LLC (sot-tostante); il livello LLC inserisce un header, un campo di controllo e passa il pacchetto al livello RLC/MACil quale segmenta il pacchetto formando un blocco dati RLC (Fig. 2.3). A questo punto vengono inseritiil BCS, l’USF e alcuni bit di coda. Successivamente i bit vengono sottoposti a codifica convoluzionale eeventualmente ad un puncturing.

Il processo di puncturing (o ”perforazione”) consiste nel sottrarre bit di ridondanza ad un blocco infor-mativo in numero variabile a seconda dello schema di codifica. Questo permette di ridurre le dimensioni delblocco dati in modo tale da poterlo trasmettere su di un blocco radio (4 time slot pari a 456 bit). Dallatabella 2.1 si puo osservare che i quattro schemi di codifica partono da payload differenti per giungere in tuttii 4 casi a 456 bit (codificati); ovviamente il numero di bit di ridondanza sottoposti a puncturing determinail rate di codifica e di conseguenza il grado di protezione dei bit di traffico.

La tabella 2.2 mostra i bit rate (di traffico utile) ottenuti al variare dello schema di codifica e del numerodi slot assegnati. Come si puo vedere lo schema CS-4 e quello che raggiunge il bit rate piu elevato 1 fornendo,tuttavia, la minor protezione ai dati; infatti, come si puo vedere dalla tab. 2.1 questo schema di codificanon prevede nessun codice di canale; l’unica protezione e offerta dai bit BCS e USF.

2.5 Accesso alla rete e routing

Prima che un terminale possa usufruire dei servizi GPRS esso, supposto che sia sincronizzato con la BTS,deve accedere al servizio GPRS inviando alla rete una richiesta ”GPRS attach”. Con tale richiesta la reteviene informata che l’utente, il quale potrebbe gia essere registrato alla rete GSM, desidera richiedere unservizio alla rete GPRS; prima di tale richiesta il terminale risulterebbe non raggiungibile.

1Notare che il bit rate dello schema CS-4 (21.4 kbit/s) e prossimo alla capacita del canale GSM (22.8 kbit/s).

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Schema di Payload BCS Precodifica Bit di Bit di Bit di Data Rate Codecodifica bit bit USF coda puncturing codifica kbit/s rateCS-1 181 40 3 4 0 456 9.05 0.4CS-2 268 16 6 4 132 588 13.4 0.59CS-3 312 16 6 4 220 676 15.6 0.68CS-4 428 16 12 0 0 456 21.4 0.93

Tabella 2.1 Parametri dei CS

1 time slot 2 time slot 4 time slot 8 time slotkbit/s kbit/s kbit/s kbit/s

CS-1 9.05 18.1 36.2 72.4CS-2 13.4 26.8 53.6 107.2CS-3 15.6 31.2 62.4 124.8CS-4 21.4 42.8 85.6 171.2

Tabella 2.2 Bit rate dei CS in funzione dei time slot assegnati

Successivamente la rete svolge alcune funzioni amministrative, (analoghe a quelle viste nel GSM) qualil’autenticazione dell’utente, la copia del profilo dell’utente dall’HLR all’SGSN corrente e l’assegnazione diun P-IMSI (Packet Temporary Mobile Subscriber Identity) all’utente. Una volta localizzato e identificatol’utente la rete stabilisce una connessione logica tra l’MS e l’SGSN la quale abilita la MS a inviare o ricevereSMS (su GPRS), ricevere un paging dalla rete o ricevere un servizio PTM-M. Una volta completata questaprocedura l’MS si trova in uno stato di attesa (STANDBY), che non impegna risorse fisiche, ed e prontaper iniziare un eventuale trasferimento di dati. La disconnessione dalla rete GPRS e detta ”GPRS detach”e puo essere richiesta dal mobile o dalla rete.

Per scambiare pacchetti con la rete esterna PDN, dopo una prodedura di attach andata a buon fine, laMS deve essere riconosciuta. Per fare questo il GGSN assegna un indirizzo di rete (PDP), compatibile colprotocollo usato dalla PDN (ad esempio un indirizzo IP se la rete esterna e una rete a protocollo IP).

Il passaggio allo stato di attivita (READY) puo essere richiesto dal mobile o dalla rete. Se per esempioil terminale deve trasmettere dati PTP ad un utente, deve attivare un PTP context. Un PDP contextrappresenta l’insieme di tutte le informazioni relative alla sessione; esso contiene il tipo di protocollo PDP(ad es. IPv4), l’indirizzo PDP assegnato al mobile, la QoS richiesta dal mobile e l’indirizzo del GGSN cheserve da ”access point” per la PDN. Questi dati sono memorizzati nella MS nell’SGSN e nel GGSN. Lacreazione di un PDP context rende visibile la MS dalla rete PDN la quale puo, cosı, ricevere e trasmetterepacchetti all’MS. Un utente puo attivare piu PDP context contemporaneamente.

L’assegnazione dell’indirizzo PDP puo essere fissa o dinamica: nel primo caso il gestore della rete diappartenenza dell’utente (home PLMN) assegna permanentemente un indirizzo all’utente in fase di sotto-scrizione del contratto. Nel secondo caso, invece, di assegnazione dinamica l’indirizzo viene assegnato almomento della creazione del PDP context. L’indirizzo PDP puo essere assegnato, oltre che dalla rete di ap-partenenza dell’abbonato, anche dall’operatore di una rete visitata (visited PLMN). Nel caso di assegnazionedinamica il responsabile dell’attivazione e disattivazione dell’indirizzo di rete PDP e il GGSN.

La MS invia all’SGSN una richiesta di attivazione di un PDP context specificando la QoS richiesta (sel’assegnazione di indirizzo PDP e dinamica il parametro ”PDP address” non viene specificato). A questopunto la rete, in base alla disponibilita delle risorse, determina se e possibile garantire il QoS richiesto.Successivamente, se la richiesta viene accettata (CAC), l’SGSN spedisce un messaggio di attivazione alGGSN interessato affinche instradi i pacchetti tra l’SGSN e la rete esterna PDN. Il GGSN risponde all’SGSN

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Figura 2.4 Accesso per il trasferimento dati

con un messaggio di conferma di assegnazione di PDP il quale contiene l’indirizzo assegnato alla MS (nelcaso di assegnazione dinamica). A questo punto l’SGSN conferma l’attivazione del PDP context all’MSe comunica l’indirizzo assegnato. Una volta stabilito il PDP context il terminale mobile puo scambiarepacchetti con la rete esterna.

Esaminiamo ora come i pacchetti provenienti dalla MS vengano instradati alla rete PDN e viceversa.Supponiamo che la rete esterna sia una rete IP (Fig. 2.5) e supponiamo che la MS, situata nella propria retedi appartenenza (HPLMN), scambi pacchetti con un host (ad esempio un Web server) sulla rete esterna.L’SGSN presso il quale e registrata la MS incapsula i pacchetti IP provenienti dalla MS, esamina il PDPcontext e instrada i pacchetti attraverso l’intra-PLMN backbone al GGSN appropriato. Il GGSN decapsulail pacchetti e li spedisce attraverso la rete IP, la quale mediante meccanismi di ruoting, instradera i pacchettiverso l’host di destinazione.

Supponiamo ora che l’MS (qualora fosse abilitata al servizio di roaming) sia dislocata presso una retevisitata (VPLMN) e che lo stesso host gli stia spedendo dei pacchetti. In questo caso i pacchetti vengonoinstradati sempre verso il GGSN della rete HPLMN (la quale ha assegnato l’indirizzo alla MS). Quest’ultimorichiede informazioni all’HLR dell’abbonato sulla sua dislocazione e, una volta appreso che la MS si trovanella rete VPLMN, incapsula i pacchetti IP provenienti dall’host e li spedisce attraverso la rete inter-PLMNbackbone all’SGSN dove risulta momentaneamente registrato l’utente.

2.6 Gestione della mobilita

Uno dei principali compiti della rete GPRS e quello di tenere traccia dei movimenti delle MS allo scopodi poter instradare correttamente i pacchetti agli utenti destinatari. La MS, come nel caso GSM, ha unruolo attivo. Infatti, in base alle informazioni generali trasmesse sui canali broadcast, si accorge di tutti icambiamenti effettuati (cioe cambiamenti di cella, di RA , di LA e di rete) e spedisce i relativi aggiornamentidi dislocazione, piu o meno frequentemente, al proprio SGSN.

Se la MS aggiorna (cell update) l’SGSN raramente e probabile che in un certo istante l’SGSN non conoscala cella nella quale e dislocata la MS. Nel caso in cui la rete debba trasferire dei pacchetti alla MS e perciomolto probabile che sia necessario un segnale di paging su tutta l’area gestita dall’SGSN. Viceversa nelcaso in cui la MS aggiorni la sua posizione frequentemente e probabile che non sia necessario cercare la MSriducendo di molto il ritardo nel collegamento. Purtroppo questa strategia non e ottima poiche impiegamolte risorse sia radio che energetiche.

Per ottenere un compromesso tra queste due strategie sono stati definiti tre stati nei quali la MS puotrovarsi; l’aggiornamento di dislocazione e diverso a seconda dello stato in cui la MS si trova.

La figura 2.6 mostra tutti gli stati di una stazione mobile con le relative transizioni. Nello stato IDLE

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Figura 2.5 Esempi di routing

Figura 2.6 Modello si stato di una MS GPRS

la MS non e raggiungibile ma puo ricevere trasmissioni PTM-M riservate ad una precisa area geografica.Dopo la procedura di attach la MS si trova nello stato READY; la transizione inversa, detta detach, riportala MS nello stato IDLE. Quando una MS, nello stato READY, e inattiva per un lungo periodo di tempo(scandito da un timer) viene messa in STANDBY. Essa tornera allo stato READY non appena sara necessarioscambiare informazione utile o di segnalazione tra la MS e la rete. Un’altro timer, utilizzato dall’SGSN,serve per monitorare l’attivita dell’MS; allo scadere di quest’ultimo l’SGSN sconnette l’utente (detach) ilquale ritorna nello stato IDLE (irraggiungibile).

Nello stato IDLE la MS non effettua nessun tipo di aggiornamento sulla propria dislocazione. Nellostato READY, invece, la MS informa l’SGSN di ogni spostamento di cella (cell update); la rete e quindi aconoscenza dell’esatta posizione del mobile.

Nello stato STANDBY la rete esegue un aggiornamento sulla base della Routing Area (RA). Comeabbiamo visto nel capitolo precedente, nella rete GSM la service area e suddivisa in diverse aree MSC/VLR.Ognuna di queste aree e suddivisa in un certo numero di LA (Location Area) composte da un insieme dicelle.

Anche nel GPRS la service area e suddivisa in aree SGSN a sua volta suddivise in sottozone detteRouting Aree. Non esiste a priori nessuna corrispondenza diretta tra le aree SGSN e le aree MSC/VLR, netra le rispettive suddivisioni LA e RA. Vale comunque il seguente principio: una LA puo essere composta

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Figura 2.7 Esempio di GPRS Service area

da una o piu RA e ogni RA e contenuta in una ed una sola LA (vedi figura 2.7).Nello stato STANDBY la MS informa l’SGSN solamente al cambiamento di RA mentre non esegue nes-

sun aggiornamento sul cambiamento di cella. Di conseguenza la rete e informata sulla RA ma non sullaBTS che sta servendo l’utente. Se la rete deve trasferire dei pacchetti ad una MS in STANDBY, il paginge limitato solamente alla RA.

Quando una MS nello stato READY cambia cella si possono avere due tipi di comportamento: se lanuova cella risiede nella stessa RA viene eseguito solamente un cell update, altrimenti, nel caso di RAdiverse, viene eseguita la procedura di aggiornamento della RA (routing update); il messaggio di routingupdate, contenente l’identificativo dell’ultima RA (RAI) e della nuova cella (CI), viene inviato all’SGSN ilquale determina l’identita della nuova RA. A questo punto esistono due scenari:

• Aggiornamento di RA intra-SGSN: la MS si muove tra due RA servite dallo stesso SGSN; l’SGSN hagia memorizzato i profili di utente e non e necessario informare gli altri elementi della rete come ilGGSN e l’HLR. L’informazione relativa all’aggiornamento resta confinata nella SGSN service area.

• Aggiornamento di RA inter-SGSN: Le due RA sono gestite da SGSN diversi; il nuovo SGSN, che riceveil messaggio di routing update, richiede al precedente il PDP context dell’utente e informa GGSN eHLR della nuova posizione. Inoltre, l’HLR invia all’SGSN corrente le informazioni amministrativesull’utente.

Riassumendo la mobilita nel GPRS (analogamente al GSM) e gestita a due livelli: una microgestionedella mobilita mediante la quale l’SGSN tiene traccia della cella o della RA corrente di tutte le MS dellapropria area; una macrogestione della mobilita che tien traccia, mediante interazione tra i vari nodi, dellaSGSN corrente di ogni MS.

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Capitolo 3

La rete UMTS

3.1 Introduzione al sistema UMTS

Dalla momento della loro introduzione, i sistemi di comunicazione radiomobile si sono diffusi rapidamenteall’utenza di massa. Il numero di utenti di telefonia mobile ha superato, in Italia come in altri paesi Europei,quello di telefonia fissa e il telefono mobile sta diventando rapidamente il principale mezzo di comunicazione(non solo vocale) personale. Parallelamente a questo, la contemporanea diffusione della rete internet, hafatto nascere la richiesta di integrare sempre piu una pluralita di servizi multimediali in un solo sistema dicomunicazione mobile mondiale.

Nei capitoli precedenti abbiamo visto come l’introduzione delle tecniche digitali (nei sistemi di secondagenerazione) abbia permesso, per la prima volta, di combinare la trasmissione dati con la trasmissione vocale.Purtroppo, a causa della commutazione di circuito e del fatto che ogni MS puo trasmettere su un solo timeslot, la velocita di trasmissione offerta dalla rete GSM al traffico dati, e estremamente bassa.

L’introduzione della commutazione di pacchetto e la trasmissione multislot della rete GPRS ha poi con-sentito, alla rete GSM, di supportare realmente le prime applicazioni multimediali. Tuttavia, nonostanteil notevole incremento della velocita di trasmissione, la rete GSM/GPRS non e in grado di supportare leapplicazioni piu evolute che, come sappiamo, sono avide di larghezza di banda. Come vedremo, la reteGSM/GPRS rappresenta solo un passo intermedio rispetto alla migrazione dei sistemi radiomobili verso laterza generazione (3G).

I sistemi di comunicazione mobile di terza generazione nascono con la prerogativa di operare su scalamondiale e fornire una piattaforma per una vasta gamma di servizi multimediali.

Le caratteristiche di base che deve avere un sistema 3G sono descritte dall’IMT-2000 (International Mo-bile Telecommunications 2000) dell’ITU (International Telecommunication Union). L’IMT-2000 comprendetutti i sistemi radiomobili di terza generazione per la fornitura di servizi multimediali ad alta velocita acopertura mondiale. All’IMT-2000 collaborano una serie di organismi di standardizzazione come l’ARIB eil TTC in Giappone, l’ETSI in Europa, il Committee T1 in USA e il TTA in Corea del sud.

I principali requisiti per i sistemi di terza generazione sono elencati di seguito:

• Bit rate fino a 2 Mbit/s

• Bit rate variabile per offrire larghezza di banda su richiesta.

• Multiplexing di servizi con diversi requisiti di qualita su una stessa connessione, ad esempio voce, videoe dati a pacchetto.

• Requisiti di ritardo in grado di supportare applicazioni realtime (delay-sensistive).

• Qualita fino a 10−6 di bit error rate.

• Compatibilita con i sistemi precedenti di seconda generazione (inter-system handover) per aumentodella copertura e bilancio di carico.

Capitolo 3. La rete UMTS

• Supporto di traffico asimmetrico (non supportato dai sistemi 2G) tra downlink e uplink come peresempio il web browsing.

• Utilizzo della banda ad alta efficienza di spettro.

• Coesistenza delle modalita FDD e TDD.

I lavori per lo sviluppo dei sistemi di terza generazione IMT-2000 sono iniziati nel 1992 con l’assegnazione,da parte del WARC (World Administrative Radio Conference) 1 di alcune bande di frequenza attorno ai 2GHz disponibili per i sistemi di terza generazione. Il WARC ha riservato le bande di frequenza 1885-2025MHz (140 MHz) e 2110-2200 (90 MHz). All’interno di queste frequenze, le bande 1980-2010 MHz (30 MHz)e 2170-2200 MHz (30 MHz) sono riservate alla parte satellitare del sistema.

La proposta Europea per i sistemi 3G e stata fornita dall’ETSI con il nome di UMTS (Universal MobileTelecommunication System). La svolta decisiva si e avuta nel 1996 quando, cioe, si costituı l’ UMTS-forum, formato dagli stessi organismi di standardizzazione citati prima e dai piu grandi operatori mondialidi telefonia mobile.

Il primo obiettivo che devono raggiungere i sistemi IMT-2000 e quindi l’UMTS e relativo, ovviamente,alla velocita di trasmissione dei dati: si vuole garantire una velocita che va da un minimo di 144 kbit/sper utenti a bassa mobilita ad un massimo di 2 Mbit/s per utenti ad alta mobilita (maggiore e la mobilitadell’utente, minore sara il massimo bit rate a parita di qualita del servizio).

Per garantire una copertura globale che comprenda aree deserte e oceani e ovviamente necessario l’usodi satelliti (non a caso una parte degli standard e dedicata alla rete di accesso satellitare). La maggioranzadegli studi e dedicata, invece, alla parte terrestre e cioe alla rete terrestre di accesso meglio nota comeUTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network); quest’ultima, insieme al core network, costituisce larete UMTS.

Le celle della rete UMTS devono essere organizzate in una struttura gerarchica formata da macrocelle,microcelle e picocelle. Questa differenziazione permette di fornire una copertura molto flessibile.

Le macrocelle, di superfice molto estesa, sono usate per la copertura di aree rurali con presenza di moltiutenti ad alta mobilita (bit rate 144 kbit/s). Le microcelle, mediamente estese, sono usate in aree suburbanecontenenti utenti a media mobilita (bit rate 384 kbit/s). Infine, le picocelle, di estensione molto ridotta,sono utilizzate per aree urbane con la presenza di pochi utenti a bassa mobilita (bit rate 2 Mbit/s). Ascopo di completezza possiamo aggiungere che la copertura offerta, mediante rete satellitare, da un singolosatellite e detta macrocella satellitare.

3.2 Servizi e classi di QoS

La rete UMTS si distingue, come detto precedentemente, per la caratteristica di supportare un’ampia gammadi servizi sia a commutazione di circuito che di pacchetto.

Rispetto alle rete mobili precedenti, la rete UMTS ha inoltre una nuova importante caratteristica, valea dire quella di poter negoziare le proprieta del servizio di trasporto (in gergo UMTS detto Radio Bearer)appropriate per il trasporto dell’informazione. I parametri che caratterizzano un servizio di trasporto sonoil ritardo di trasferimento, il data error rate e il throughput. Chiaramente le caratteristiche del servizio ditrasporto influiscono direttamente sul costo del servizio.

Per gestire i vari servizi multimediali e necessario associare ad ognuno di essi una precisa qualita diservizio (QoS) alla quale verra associato un adeguato servizio di trasporto opportuno.

Per l’UMTS sono definite quattro diverse classi di qualita di servizio (QoS) a seconda di quanto il tipodi traffico e delay-sensitive:

1Il WARC e l’organismo che si occupa di assegnare le frequenze radio a livello mondiale

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Figura 3.1 Classi di QoS

• Conversational class. I servizi appartenenti a questa classe sono generalmente servizi real time in-terattivi. I piu importanti di essi sono la telefonia, la videotelefonia (o la videoconferenza)e il VoIP(Voice over IP). Da quanto detto risulta che i vincoli piu stringenti sono di natura temporale dipen-denti dalla percezione umana. Di conseguenza le caratteristiche di questa classe sono il basso ritardodi trasferimento (che non deve essere superiore a 400 ms) e la bassa deviazione dello stesso (jitter).Inoltre, i servizi appartenenti a questa classe sono sensibili all’ordine dei dati in arrivo il quale deveessere quindi rispettato.

• Streaming class. Questa classe riguarda i servizi real time (non interattivo), generalmente si trat-ta di servizi audio e/o video unidirezionali. Questa classe, come la precedente, ha come requisitil’ordine temporale dei dati in arrivo, il basso valore del jitter (che comunque puo essere eliminatotramite un buffering), mentre risulta piu tollerante al ritardo di trasferimento (questo e dovuto allanon interattivita degli utenti).

• Interactive class. Questa classe riguarda i servizi interattivi di trasferimento dati come ad esempio ilWeb Browsing accesso a data base. Questo tipo di servizi non sono particolarmente sensibili al ritardose non per il Round Trip Delay il quale deve essere il piu basso possibile. Inoltre, trattandosi di dati,e necessario che il trasferimento avvenga ad un basso tasso di errore.

• Background class. I servizi di questa classe sono caratterizzati dal trasferire dati senza nessun vincolotemporale. Alcuni esempi sono rappresentati dai download e dalle e-mail. La caratteristica di questaclasse e l’estrema sensibilita alla corruzione dei dati che quindi devono essere trasferiti ad un bassotasso di errore.

3.3 Architettura della rete UMTS

Il sistema UMTS, analogamente ai sistemi di prima e di seconda generazione, utilizza un insieme di ele-menti logici i quali hanno ognuno una diversa funzionalita. Tutti gli elementi della rete UMTS si possonoraggruppare nella UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) la quale gestisce tutte le funzionalitaradio della rete, e nella Core Network (CN) la quale e responsabile della commutazione e dell’instradamentodelle chiamate e delle connessioni dati verso le reti esterne. Infine, abbiamo l’UE (User Equipment) checorrisponde al dispositivo che si interfaccia con l’utente.

Sia l’UE che L’UTRAN dispongono di protocolli completamente nuovi, il progetto dei quali rispondealla necessita di supportare una nuova tecnologia radio: il WCDMA. Viceversa la Core Network UMTS e

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Figura 3.2 Architettura della rete UMTS Release ’99

identica a quella della rete GSM/GPRS. Analogamente a cio che accade per la rete GSM/GPRS, la reteUMTS e ”modulare” nel senso che puo essere composta da sottoreti (PLMN), ognuna appartenente ad undiverso gestore, indipendenti ed interconnesse tra di loro. Ogni PLMN e connessa sia alle altre PLMN chea reti esterne come la rete internet, ISDN o PSTN (Figura 3.2).

Di seguito descriveremo in dettaglio gli elementi funzionali della rete UMTS (Figura 3.2).L’UE e composto da due elementi:

• L’ME (Mobile Equipment) e il terminale radio usato dall’utente, per comunicare nell’interfaccia Uu.

• L’USIM-card (Subscriber Identity Module), equivalente alla SIM-card del GSM, contenente tutte leinformazioni relative all’utente compresi gli algoritmi di autenticazione e di cifratura con le relativechiavi.

La rete UTRA e composta da due elementi:

• Il Node B 2 (WCDMA BTS) e responsabile della conversione del flusso tra le interfacce Uu e Iub. Essosvolge tutti i processi di livello L1 nell’interfaccia aria come la codifica di canale, l’interleaving, rateadapting, spreading, scrambling ecc, inoltre, svolge alcune operazioni di Radio Resource Management(RRM) come un controllo di potenza inner loop.

• I Radio Network Controller (RNC) gestiscono e controllano tutte le risorse radio dei node B ad essiassociati (controllo della congestione e del carico, ammissione delle chiamate e allocazione delle risorseradio).

Di seguito elenchiamo brevemente i principali elementi della CN (core network), per ulteriori chiarimentisulle funzionalita dei vari elementi e opportuno riferirsi alla CN della rete GSM/GPRS.

• L’HLR: a CN possiede alcuni HLR dislocati nel territorio i quali memorizzano il ”profilo utente”.Il profilo, il quale viene creato al momento della sottoscrizione del contratto da parte dell’utente,consiste per esempio in informazioni circa i servizi abilitati, aree di roaming vietate, stato dell’utenteecc (analogo a quanto visto per la rete GSM/GPRS).

• L’MSC/VLR e composto da uno switch (MSC) ed un data base (VLR) i quali servono le UE nelladislocazione corrente per i servizi a commutazione di circuito. La parte di CN con la quale si accedevia MSC/VLR e detta ”CS domain”.

• Il GMSC e lo switch che collega la UMTS PLMN con le reti esterne (tutte le connessioni CS entrantied uscenti passano attraverso il GMSC).

2il termine ”Node B” e preso direttamente dalle specifiche 3GPP ed indica la stazione base

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Figura 3.3 Modello a strati dell’architettura UMTS

• L’SGSN ha una funzionalita simile a quella dell’MSC/VLR con la differenza che viene usato per iservizi a commutazione di pacchetto (PS) in modo del tutto analogo a cio che accadeva per la reteGSM/GPRS. La parte di rete accessibile via SGSN e detta ”PS domain”.

• Il GGSN ha la stessa funzionalita dell’SGSN ma viene usato per servizi PS.

Le reti esterne possono essere di due tipi:

• Reti CS. Sono tutte quelle reti a commutazione di circuito come la PSTN o l’ISDN.

• Reti PS. Sono le reti a commutazione di pacchetto come ad esempio la rete Internet.

Per quanto riguarda le interfacce della rete UMTS esse sono descritte dettagliatamente nello standard3GPP allo scopo di definire un sistema di tipo ”aperto” nel quale e possibile far cooperare dispositivi di reteappartenenti a diversi costruttori (analogamente a quanto visto per i precedenti sistemi). Di seguito diamouna breve descrizione delle interfacce standard UMTS:

• L’interfaccia Cu e l’interfaccia elettrica tra la USIM e ME.

• L’interfaccia Uu, l’unica interfaccia radio del sistema, e probabilmente quella che piu caratterizza ilsistema UMTS (interfaccia radio WCDMA).

• L’interfaccia Iu si trova tra la UTRAN e la CN analogamente a quanto visto nella rete GSM/GPRS(interfacce A e Gb).

• L’interfaccia Iur e l’interfaccia di collegamento tra i vari RNC. E’ l’interfaccia attraverso la qualepassano tutte le informazioni dati e di segnalazione dei terminali in soft handover.

• L’interfaccia Iub e situata tra un nodo B e l’RNC al quale e collegato.

La Figura 3.3 mostra invece la stratificazione dell’architettura UMTS. In essa si individuano due stratiprincipali: l’Access Stratum (AS) ed il Non Access Stratum (NAS). Gli strati AS e NAS servono a distinguererispettivamente tutti i livelli della rete (con relative funzionalita) che dipendono dalla tecnica di accesso radioutilizzata da quelli che sono assolutamente indipendenti. Di conseguenza l’Access Stratum racchiude tuttii protocolli e le funzioni che permettono la trasmissione dei dati sull’interfaccia radio nonche la gestionedell’interfaccia radio stessa. Il Non Access Stratum comprende invece tutti i protocolli che permettono diinstradare, da sorgente a destinazione, tutti i dati provenienti dagli utenti o dalla rete stessa.

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Figura 3.4 Architettura della rete UTRA

3.3.1 La rete UTRA

La rete UTRA (vedi Figura 3.4) e composta da un certo numero di sottosistemi RNS (Radio NetworkSub-system) consistenti in un RNC con uno o piu node B ad esso collegati. I vari RNS, come dettoprecedentemente, comunicano tra loro attraverso l’interfaccia Iur.

Ogni CRNC (Controlling RNC), equivalente del BSC nel GSM, gestisce l’allocazione delle risorse radiodi tutti i node B ai quali e collegato tramite l’interfaccia Iub, e responsabile del controllo del carico, dellacongestione e dell’ammissione delle chiamate (CAC). Inoltre, questa architettura e in grado di gestire lamobilita all’interno dell’UTRAN: il Node B e in grado di gestire l’handover (tramite lo scambio di messaggidi segnalazione verso l’UE) tra celle appartenenti al suo dominio. Nel caso di celle appartenenti a Node Bdifferenti l’handover puo essere gestito a livello di RNC tramite l’interfaccia Iub se i Node B sono controllatidallo stesso RNC o tramite l’interfaccia Iur se i Node B appartengono a RNS differenti.

In ogni connessione tra UTRAN e UE puo succedere che il mobile utilizzi risorse appartenenti a piu diun RNS, in tal caso gli RNC coinvolti hanno ruoli diversi:

• Serving RNC (SRNC): e l’RNC responsabile dell’instaurazione e della gestione della connessione tra ilmobile e la rete. L’RNC termina il collegamento nell’interfaccia Iu per il trasporto dei dati d’utente,della corrispondente segnalazione (RANAP) da e verso la CN e la segnalazione di controllo RRC trala UE e l’UTRAN. L’SRNC svolge inoltre funzioni di livello L2 e alcune operazioni base di RRM.

• Drift RNC (DRNC): e un qualsiasi altro RNC, diverso dall’SRNC, che controlla celle usate dal mobile.Il suo compito e quello di fornire risorse di appoggio all’SRNC, non svolge compiti di livello L2 per idatio d’utente ma instrada i dati in modo trasparente tra le interfacce Iub e Iur. Un UE puo avere dazero a diversi DRNC.

3.3.2 Architettura protocollare della rete UMTS

In Figura 3.5 viene rappresentato il modello di protocollo a pila comune a tutte le interfacce UTRAN.Tale struttura ha l’obiettivo di separare logicamente i vari livelli e piani agevolando cosı il piu possibile leevoluzioni future del sistema.

Esistono due livelli principali: il Radio Network Layer ed il Transport Network Layer. Tutti i problemirelativi all’UTRAN sono visibili solo nel primo livello mentre il secondo corrisponde alla tecnologia ditrasporto utilizzata dall’UTRAN.

Il modello protocollare e poi suddiviso in piani: il Control Plane, l’User Plane ed il Trasport NetworkControl Plane.

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Figura 3.5 Modello protocollare per le interfacce UTRAN

Figura 3.6 Architettura protocollare UMTS nel piano utente

Il piano di controllo, usato per la segnalazione di controllo, contiene i protocolli applicativi come RANAP(Radio Access Network Application Part) nell’interfaccia Iu, RNSAP (Radio Access Network ApplicationPart) sull’interfaccia Iur e NBAP (Node B Application Part) sull’interfaccia Iub. Il piano di controllo contieneinoltre i segnalling bearer ovvero i canali di trasporto per i messaggi di controllo di tali protocolli.

L’informazione spedita e ricevuta dall’utente e trasportata tramite il piano d’utente. Esso racchiude iData Stream e i Data Bearer ovvero i canali di trasporto per l’informazione d’utente.

In Figura 3.6 e mostrata la struttura protocollare UMTS tra l’UE e la Core Network sul piano utente.Si noti la presenza del protocollo ATM.

3.4 Il livello fisico

Il livello fisico dell’interfaccia radio di un sistema di comunicazione radiomobile e l’aspetto che piu di ognialtro caratterizza i differenti standard di radiotelefonia cellulare. Cosı e anche per lo standard UMTS, lacui peculiarita rispetto al sistema GSM consiste in primo luogo nella definizione di un’interfaccia radiocompletamente differente. Il livello fisico ha infatti una diretta relazione con le prestazioni raggiungibili daun singolo collegamento tra la stazione mobile e la stazione radio base, prestazioni che nel caso UMTS sonodi molto superiori a quelle dei sistemi precedenti. Nel caso UMTS la tecnologia utilizzata per l’interfaccia

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UTRA-FDD UTRA-TDDAccesso multiplo WCDMA WCDMA+TDMAFrequenza di chip 3.84 Mchip/s 3.84 Mchip/sBanda per portante 5 MHz 5 MHzLunghezza di un frame 10 ms 10 msNumero di slot per frame 15 15Sincronizzazione stazione base Non necessaria ConsigliabileModulazione in downlink QPSK QPSKModulazione in uplink dual-code BPSK QPSKDemodulazione coerente SI SITrasmissione multi rate SI SI

Tabella 3.1 Caratteristiche tecniche delle interfacce UTRA

radio e la tecnologia Wideband CDMA (WCDMA o CDMA a banda larga). In particolare, il lavoro distandardizzazione del comitato 3GPP ha portato alla definizione di due diverse interfacce radio UTRA:UTRA-TDD (Time Division Duplex), in cui i collegamenti uplink e downlink sono separati secondo unasuddivisione temporale, e UTRA-FDD (Frequency Division Duplex) in cui i collegamenti uplink e downlinksono separati in frequenza. Con il nome WCDMA si intende abitualmente sia l’UTRA-TDD che l’UTRA-FDD.

Nella tabella 3.1 sono riportate le principali caratteristiche delle interfacce UTRA-FDD e UTRA-TDD.Come si puo vedere l’accesso multiplo al canale e gestito in modalita completamente a divisione di codicein FDD e in modalita mista divisione di codice e di tempo in TDD; la modulazione in uplink risulta essereuna doppia BPSK con codici ortogonali fase-quadratura in FDD, mentre e una semplice QPSK in TDD; lapossibilita di trasmettere a bit rate variabile viene garantita per entrambi con una gestione dinamica delfattore di spreading e con la possibilita di assegnare un numero di codici variabile, ma nel caso TDD prevedeanche la possibilita di assegnare piu slot temporali.

3.4.1 Canali di trasporto e mappatura nei canali fisici

Vediamo adesso quali sono i principali canali di trasporto che permettono la realizzazione delle funzionalitadei vari livelli di comunicazione dello standard UTRA. Un canale di trasporto trasferisce le informazioniprovenienti dai livelli superiori a quello fisico al livello fisico, svolgendo cosı un ruolo simile a quello svolto daicanali logici dell’interfaccia radio GSM. Ogni canale di trasporto deve essere mappato in un effettivo canalefisico prima di poter svolgere la sua funzione (trasportare dati e informazioni di controllo dal mobile allastazione base). I tipi di canali di trasporto e di canali fisici (e le loro funzionalita) non differiscono sostanzial-mente fra UTRA-TDD e UTRA-FDD. Al contrario il modo in cui i canali di trasporto vengono effettivamenterealizzati (mappati) nei canali fisici dell’interfaccia radio risulta, come vedremo, sostanzialmente differente.

L’interfaccia UTRA prevede sia un canale di trasporto dedicato che dei canali di trasporto comuni.Il canale di trasporto dedicato viene definito DCH (Dedicated Channel) e consiste in un canale dedicatoalla singola comunicazione mobile-base relativa ai dati e alle informazioni di controllo provenienti dai livellisuperiori al livello fisico. Ovviamente il DCH e un canale bidirezionale (mobile-base e viceversa). Per quantoriguarda i canali comuni, i principali sono:

• Canale Broadcast (BCH). Si tratta di un canale downlink che serve per trasportare informazioniriguardanti la cella o la rete UTRA. Fra queste informazioni vi sono quelle relative alle procedure perl’accesso casuale al canale. Il BCH deve essere ricevuto da tutti gli utenti mobili di una cella, per cioutilizza un bit rate basso (alta protezione nei confronti dell’interferenza).

• Canale di accesso (FACH). Si tratta di un canale downlink che serve per trasportare informazioni di

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Figura 3.7 Mappatura dei principali canali di trasporto nei canali fisici

controllo verso un mobile specifico presente nella cella (che ha gia effettuato le procedure di accessoalla rete). Puo essere utilizzato per trasportare dati a pacchetto.

• Canale di Paging (PCH). Si tratta di un canale downlink che trasporta informazioni relative al rin-tracciamento degli utenti mobili (quando la rete vuole informare un mobile che intende instaurare uncanale di comunicazione)

• Canale di accesso casuale (RACH). Si tratta di un canale uplink che serve per trasportare la richiesta,da parte di un mobile, di instaurazione di un canale di comunicazione. Puo essere utilizzato anche pertrasportare piccole quantita di dati a pacchetto dal terminale verso la rete.

I canali di trasporto sopra elencati sono mappati in differenti canali fisici (sebbene alcuni canali ditrasporto utilizzino gli stessi canali fisici). La mappatura dei canali di trasporto nei canali fisici e descrittain Fig. 3.7.

Oltre ai canali fisici in cui vengono mappati i vari canali logici, esistono altri canali fisici che non sonoin corrispondenza con nessun canale logico e che servono a realizzare le funzionalita del solo livello fisico.Questi sono i canali di sincronizzazione SCH, il canale AICH che trasporta l’informazione di acquisizionedel canale, ed il canale PICH che trasporta l’indicatore del gruppo di paging.

3.4.2 Operazioni di spreading e di scrambling

Nell’interfaccia UTRA la tecnologia di trasmissione e una tecnologia CDMA. Questo significa che la bandadel segnale trasmesso viene allargata rispetto alla banda che deriverebbe dalla trasmissione diretta nel canalecon modulazione 4-PSK. L’operazione che permette di allargare la banda del segnale e detta spreading. InFigura 3.8 si riporta un esempio di spreading operato su un segnale passa basso (per semplicita si riportasolo la componente in fase). La sequenza di spreading, che viene direttamente moltiplicata per il segnaleinformativo per ottenere la sequenza allargata (in banda),consiste in una sequenza periodica di simbolibinari, detti chip, che possono assumere i valori ±1. La frequenza di trasmissione dei chip, ovvero il numerodi chip trasmessi al secondo, viene detta Rc ed e pari a 3.84·106 nello standard UTRA. Il fattore di spreadingG e in corrispondenza diretta con l’effettivo bit rate del segnale trasmesso. Infatti, il numero di bit trasmessial secondo e Rb = Rc/G nel caso di modulazione 2-PSK o Rb = 2Rc/G nel caso di modulazione 4-PSK.Quindi, poiche la frequenza di chip e fissa, agendo sul fattore di spreading si modifica direttamente il bitrate di trasmissione. Nell’esempio di Fig. 3.8 si ha G = 8.

L’operazione di spreading serve per distinguere diverse trasmissioni generate da uno stesso trasmettitore.La stazione base, per esempio, trasmette tutti i flussi informativi relativi agli utenti mobili attivi nella cellaallo stesso momento e nella stessa banda di frequenza. La trasmissione relativa a ciascun utente fa uso

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Figura 3.8 Esempio di spreading

di una particolare sequenza di spreading (detta anche codice di canalizzazione) diversa da quelle usate daaltri utenti. Lo stesso accade quando un terminale mobile deve trasmettere contemporaneamente piu trafficiverso la stazione base: ogni traffico usa un codice di canalizzazione diverso da tutti gli altri. I codici sceltisono fra loro ortogonali.

Per capire cosa cio significhi occorre fare riferimento alla struttura del ricevitore, che deve svolgere unaoperazione di despreading (inversa dell’operazione di spreading) per poter recuperare il segnale di partenza.Tale operazione consiste sostanzialmente nel moltiplicare la sequenza ricevuta (allargata in banda) per lasequenza di spreading (che deve essere nota dal ricevitore) e nell’integrare (sommare) il segnale ottenutoin un tempo di simbolo attraverso un filtro adattato. In questo modo il segnale digitale originario vienericostruito alla perfezione (a parte i disturbi introdotti dal canale che si trascurano in questa sede). InFigura 3.9 viene riportata l’operazione di despreading effettuata sul segnale di Figura 3.8.

Tuttavia, come accennato precedentemente, sia la stazione base che i terminali mobili trasmettono con-temporaneamente diversi traffici che vengono ricevuti nella stessa banda e nello stesso momento. Questoproduce un’interferenza fra i vari traffici che puo peggiorare notevolmente le prestazioni del ricevitore rispet-to al caso di solo rumore termico. Per capire come agisce tale interferenza, si faccia riferimento alla Figura3.10, dove viene riportato un esempio in cui il segnale ricevuto e stato ottenuto con un procedimento dispreading come quello visto in Figura 3.8, utilizzando pero una sequenza di spreading diversa. Se tale seg-nale viene moltiplicato in ricezione per la sequenza di spreading di Figura 3.8 si ottiene il segnale in uscitadal filtro adattato (integrazione) mostrato nel diagramma in basso a destra di Figura 3.10 (gli asterischiindicano gli istanti di inizio di simbolo). Come si puo vedere l’uscita dall’integratore agli istanti di iniziodi simbolo (in cui viene effettuata la decisione) e nulla. Questo significa che i due codici (quello usato peril despreading e quello usato per lo spreading) sono ortogonali. Risulta allora evidente che se al ricevitoresintonizzato su una sequenza di spreading arrivano tanti segnali generati con sequenze ortogonali fra loro,all’uscita del filtro adattato, negli istanti di inizio simbolo, si avra il solo contributo del segnale voluto (cioequello al quale e sintonizzato il ricevitore), mentre i contributi interferenti verranno eliminati. Percio, see possibile trovare n codici ortogonali, e possibile trasmettere n segnali contemporaneamente dallo stessotrasmettitore, senza che questi interferiscano tra loro.

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Figura 3.9 Esempio di despreading

Figura 3.10 Esempio di despreading

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Figura 3.11 Codici OVSF

Nello standard UTRA vengono usati i codici di canalizzazione OVSF (Orthogonal Variable Spread-ing Factor). Essi permettono di ricavare codici ortogonali con differenti valori di G, ovvero con differentilunghezze. L’insieme di tutti i possibili codici OVSF viene ricavato dalla struttura ad albero di Figura 3.11.

I codici fra loro ortogonali sono tutti i codici dello stesso livello gerarchico (stesso G) e quelli che, puravendo un diverso G, non provengono dallo stesso ramo generatore. Ad esempio i codici di livello 2 (G = 4)sono fra loro tutti ortogonali. Invece, i codici di livello 2 che provengono dal codice (1,1) sono ortogonali alcodice di livello 1 (1,-1) e a tutti i 4 codici di livello 3 che provengono dal codice (1,-1).

L’utilizzazione di codici di canalizzazione permette quindi di distinguere fra loro i traffici di uno stessotrasmettitore senza che questi interferiscano fra di loro. In un contesto di radiotelefonia cellulare CDMAbisogna gestire anche le trasmissioni che contemporaneamente arrivano da trasmettitori diversi. Ad esempio,alla stazione base arrivano le trasmissioni di diversi terminali mobili che trasmettono contemporaneamente(sia dalla stessa cella che da celle adiacenti). Inoltre, al terminale mobile, arrivano le trasmissioni provenientisia dalla stazione base di riferimento che dalle stazioni base adiacenti (interferenza extra-cella). La soluzioneideale, ovviamente, sarebbe quella di far trasmettere tutti i traffici di tutti i trasmettitori con codici traloro ortogonali. Questo non pero possibile sostanzialmente per due ragioni. La prima ragione e che leproprieta di ortogonalita vengono quando le trasmissioni non sono perfettamente sincrone (la cosa risultachiara dall’osservazione di Figura 3.10). L’ortogonalizzazione di tutti i traffici richiderebbe un sincronismoperfetto fra i diversi trasmettitori, il quale e impossibile da realizzare. L’altra ragione e che il numero dicodici ortogonali e limitato (si veda la struttura ad albero in Figura 3.11), ed il loro numero non e compatibilecon le esigenze di una rete cellulare dove devono convivere tantissimi utenti.

La soluzione a questo problema e quella di ricorrere ad un’altra operazione per separare fra loro i diversiterminali mobili e le diverse stazioni base: tale operazione viene definita scrambling. Ogni terminale mobileed ogni stazione base hanno a disposizione una sequenza di scrambling diversa. Tali sequenze sono moltolunghe (normalmente molto piu lunghe delle sequenze di spreading). Il segnale da trasmettere viene costruitoprendendo l’uscita dallo spreading e moltiplicandola direttamente per la sequenza di scrambling. In ricezione,ovviamente, bastera moltiplicare di nuovo il segnale per la sequenza di scrambling per ricostruire il segnaleda mandare in ingresso al ricevitore a filtro adattato che realizza l’operazione di despreading (Figura 3.9).In Figura 3.12 e 3.13 sono riportati esempi di scrambling e de-scrambling effettuati sulla sequenza di Figura3.8 (con sequenze di scrambling lunghe 32). Si noti che l’operazione di de-scrambling effettuata in ricezione(Figure 3.13) permette di ricostruire esattamente il segnale originario allargato in banda (Figura 3.8 in altoa sinistra).

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Figura 3.12 Esempio di scrambling

Figura 3.13 Esempio di descrambling

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L’operazione di scrambling non comporta nessun allargamento in banda poiche lavora essa stessa su basechip come l’operazione di spreading. Le sequenze di scrambling sono costruite in maniera tale da poter es-sere considerate indipendenti tra loro. In questo modo l’interferenza proveniente dalle trasmissioni di diversiterminali o di diverse stazioni base non viene annullata, come nel caso delle sequenze ortogonali, ma vienecomunque attenuata di un fattore pari a G. In altri termini, se due segnali s1 e s2 vengono trasmessi da duetrasmettitori che usano sequenze di scrambling diverse, il ricevitore per il segnale s1 osserva un rapportosegnale interferenza in uscita dall’integratore di Figura 3.9 pari a GP1/P2, dove P1 e P2 sono rispettiva-mente le potenze con le quali vengono ricevuti i segnali s1 e s2. Il parametro G assume allora un significatomolto importante perche fornisce una misura della tolleranza del ricevitore nei confronti dell’interferenza sulsegnale utile. Se G diminuisce, ovvero aumenta il bit rate, occorre anche aumentare la potenza del segnaletrasmesso per mantenere costante il rapporto segnale rumore all’uscita dell’integratore (cio permette di nondeteriorare le prestazioni in termini di probabilita di errore per bit).

Gli impulsi ottenuti a valle dello scrambling vengono infine trasmessi nel canale utilizzando dei cosenirialzati con fattore di roll-off pari a 0.22. Come noto, la banda occupata dalla sequenza di impulsi a cosenorialzato e pari a 1.22Rc. Poiche la frequenza Rc e uguale a 3.84 · 106 chip/s, la banda occupata dal segnaletrasmesso risulta di poco inferiore ai 5 MHz (pari alla banda assegnata ad ogni portante nello standardUTRA).

3.4.3 Il fenomeno del multipath e la ricezione Rake

In ambienti radiomobili gli oggetti circostanti ad un’antenna trasmittente producono onde riflesse con diverseampiezze e fasi. Per ogni segnale generato dall’antenna sorgente, l’insieme costituito da tutte le onde riflesseche giungono all’antenna ricevente e detto multipath. Gli effetti del multipath sul segnale ricevuto sonoessenzialmente due:

• Invece di arrivare un singolo contributo del segnale trasmesso, ne arrivano diversi ciascuno ritardato diun multiplo del tempo di chip. Questo fa si che, se il ricevitore si sincronizza su uno qualsiasi dei con-tributi del segnale ed effettua il despreading, gli altri contributi sono visti come interferenza. Tuttavia,a causa delle proprieta della sequenze di scrambling, cioe che tendono ad essere quasi ortogonali conle versioni ritardate di se stesse, tale interferenza risulta essere fortemente attenuata rispetto al con-tributo del segnale su cui si e sincronizzati, percio puo essere trascurata. In prima approssimazione sipuo dire che il processo di despreading permette di rilevare uno dei contributi del segnale che arrivanocon ritardi multipli del tempo di chip.

• Ogni singolo contributo che arriva con ritardo multiplo del tempo di chip, e in realta esso stesso lasovrapposizione di un numero molto elevato di cammini ritardati fra loro di meno di un tempo di chip.Questi cammini non sono ”risolvibili” dal ricevitore a correlazione, che inevitabilmente li vede comeun’unico cammino. Questo fenomeno fa sı che l’ampiezza di ogni singolo contributo sia da considerarsiuna quantita aleatoria perche somma di contributi a loro volta eleatori. Questo fenomeno, ben notonel mondo delle telecomunicazioni, prende il nome di fading. La potenza del segnale ricevuto da unsingolo contributo risolvibile puo fluttuare notevolmente intorno ad un valore medio, fino al punto dapoter perdere completamente il segnale in certi istanti (quando cioe rapporto segnale rumore va al disotto della soglia minima). In questo caso si parla di deep fading.

Mentre il primo effetto del multipath non comporta particolari problemi nei sistemi CDMA (nei sistemiTDMA come sappiamo la presenza di cammini miltipli richiede l’utilizzo di complessi sistemi di equaliz-zazione), il secondo comporta invece una forte degradazione delle prestazioni del ricevitore. Un modo peraffrontare questo inconveniente e quello di utilizzare un ricevitore Rake. Tale ricevitore e composto da uncerto numero di ricevitori a correlazione paralleli ciascuno dei quali e sincronizzato su un particolare con-tributo del segnale risolvibile temporalmente. L’uscita di ciascun ricevitore parallelo e del tipo di quella

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Figura 3.14 Multipath fading

mostrata il Figura 3.9. L’idea alla base del ricevitore Rake e quella di operare una combinazione dei segnaliin uscita da ciascun filtro adattato prima di prendere la decisione sul bit. In Figura 3.15 si riporta un esempiodi uscita di tre ricevitori a correlazione paralleli, sincronizzati su tre diversi contributi dello stesso segnale,e la loro combinazione effettuata dal Rake (detta combinazione maximal ratio). Tale combinazione (chesi dimostra essere la regola di combinazione ottima) consiste nella somma dei quadrati dei vari contributi.L’effetto del Rake sulla qualita della ricezione e duplice. In primo luogo viene ”recuperata” una maggiorequantita dell’energia trasmessa, aumentando cosı il valore medio della potenza ricevuta, ovvero il rapportosegnale rumore. In secondo luogo, la combinazione effettuata cambia la statistica della potenza ricevutaabbassando la fluttuazione della potenza rispetto al suo valor medio. Questo avviene perche se uno deicontributi sperimenta una forte attenuazione, e improbabile che cio accada per tutti gli altri. Questo effettoviene evidenziato in Figura 3.16 dove si riporta l’andamento temporale della potenza ricevuta in due diversicasi. Nel caso (a) si suppone che tutta la potenza arrivi da un solo contributo risolvibile la cui ampiezza ecaratterizzata da una tipica distribuzione di Rayleigh, la potenza media per semplicita si suppone ugualea 1. Nel caso (b) si mostra la potenza ottenibile con combinazione maximal ratio nel caso in cui il segnalearrivi da 5 cammini diversi ognuno caratterizzato da una potenza pari a 1/5 e da una distribuzione delleampiezze di tipo di Rayleigh. Come si vede il valore medio nei due casi non cambia, mentre l’entita dellefluttuazioni si riduce notevolmente nel caso (b), con conseguente miglioramento delle prestazioni.

3.4.4 Il controllo di potenza

Come visto nel paragrafo precedente, un sistema CDMA non puo garantire la perfetta ortogonalita frale trasmissioni provenienti da terminali diversi o da stazioni base diverse. Percio bisogna tenere presenteche ogni trasmissione determina un certo livello di interferenza su tutte le altre trasmissioni. In primaapprossimazione, il livello di interferenza effettivo, visto cioe a valle del filtro adattato in ricezione, e circauguale alla potenza complessiva del segnale interferente diviso il fattore di spreading G. Se assumiamo adesempio di avere la trasmissione contemporanea di 11 utenti mobili, ciascuno ricevuto con potenza P allastazione base, si avra che per ciascuno il rapporto segnale interferenza (SIR) a valle del ricevitore e datodalla seguente formula:

SIR = GP

10PPercio, sara necessario utilizzare fattori di spreading adeguati per poter ricevere correttamente il segnale

(il SIR deve essere superiore ad una certa soglia). Tuttavia, se uno degli utenti viene ricevuto con potenza

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Figura 3.15 Esempio di ricezione Rake

Figura 3.16 Potenza ricevuta da un solo contributo e da 5 contributi con maximal ratio combining

maggiore, questo produrra piu interferenza verso gli altri utenti il cui SIR cadra irrimediabilmente sotto laminima soglia di accettabilita.

Questo effetto viene definito effetto ”near-far”, poiche e prodotto dalla presenza di terminali viciniche disturbano irrimediabilmente quelli lontani. Un modo per evitare questo inconveniente e quello dieffettuare un controllo finalizzato a ricevere tutti gli utenti con la stessa potenza. Il controllo di potenzadeve far trasmettere ad ogni terminale mobile una potenza tale da compensare esattamente le attenuazionisperimentate in quel momento. Tali attenuazioni non sono ovviamente costanti nel tempo. Esse variano pereffetto del movimento dell’utente e della variazione dell’ambiente in cui si verifica la trasmissione.

Quando le variazioni intervengono su tempi dell’ordine dei secondi, dovute a variazioni della distanza tramobile e base (path loss) o variazioni casuali dovute alla presenza o meno di ostacoli (shadowing), si parla divariazioni lente. In questo caso il controllo di potenza e abbastanza semplice e puo essere considerato spessoideale. Nel caso invece di variazioni veloci, che intervengono su tempi dell’ordine della frazione di secondo,il problema del controllo di potenza e piu complesso ed una sua realizzazione ideale e pressoche impossibile.

Variazioni veloci si hanno per effetto del multipath fading, dove anche per piccolo movimenti dell’utente(dell’ordine della lunghezza d’onda), si verificano oscillazioni della potenza del segnale ricevuto per effettodella combinazione dei vari cammini, i quali sono ricevuti con ritardati di fase aleatori.

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Si noti che nel collegamento dalla stazione base al terminale mobile (downlink), se la stazione baseutilizza la stessa potenza di trasmissione verso tutti i terminali mobili, questi ricevono l’insieme dei segnali,comprendente il proprio, con la medesima potenza. Percio il problema dell’effetto near-far sembrerebbenon esistere. Tuttavia, se non ci fosse alcun controllo di potenza, la stazione base dovrebbe scegliere ditrasmettere sempre la potenza massima in modo che anche l’utente ai bordi delle cella possa ricevere unlivello di potenza sufficiente. Quindi, in downlink il controllo di potenza serve in primo luogo a far sceglierealla stazione base il livello di potenza minimo da utilizzare in quel momento (dipendera dal terminale mobilepiu lontano).

Inoltre, c’e da tener presente che in un sistema cellulare di tipo CDMA ogni terminale mobile riceveinterferenza non solo dalle altre trasmissioni della sua stazione base, ma anche da tutte le altre stazionibase che utilizzano la stessa frequenza di trasmissione (il fattore di riuso e 1, percio tale interferenza puoessere anche molto elevata). Allora, se la stazione base utilizzasse la stessa potenza per tutte le trasmissioniattive, i terminali mobili che si trovano ai bordi della cella sperimenterebbero un livello di interferenzatotale piu elevato rispetto a quelli che si trovano vicini alla stazione base. Infatti, per come e fatta lageometria di un sistema cellulare, questi ultimi si trovano piu distanti rispetto alle altre celle che produconointerferenza. Percio sara conveniente trasmettere con maggiore potenza verso gli utenti piu lontani, inmodo che tutti possano sperimentare uno stesso rapporto segnale interferenza. Questo obiettivo puo essereraggiunto attraverso un controllo di potenza effettuato su ogni singolo collegamento in downlink.

Il controllo di potenza puo essere ad anello aperto e ad anello chiuso. Nel primo caso (open loop), ilterminale mobile osserva il segnale ricevuto in downlink. Tale segnale fornisce informazioni sull’attenu-azione introdotta dal canale nel tratto di collegamento opposto rispetto a quello di interesse (uplink). Seil comportamento del canale e fortemente correlato fra uplink e downlink, allora l’osservazione del segnalericevuto (supponendo di essere a conoscenza della potenza trasmessa dalla stazione base) permette di sti-mare il comportamento del canale anche nel tratto uplink di interesse. Nello standard UTRA-FDD uplinke downlink sono separati in frequenza di circa 200 MHz. Questo e un valore molto elevato, sicuramentemaggiore della banda di coerenza del canale. Percio per quanto riguarda il fenomeno delle variazioni veloci,esse sono senz’altro scorrelate fra uplink e downlink. Invece, per cio che riguarda le variazioni lente, i duetratti si possono considerare fortemente correlati (se c’e un ostacolo in uplink, c’e anche in downlink). Allorail controllo di potenza ad anello aperto permette di compensare le variazioni lente, ma non quelle veloci. Nelcaso invece UTRA-TDD i due tratti uplink e downlink sono separati temporalmente per meno di un tempodi frame di 10 ms, un tempo speso inferiore al tempo di coerenza del canale. Percio, i due tratti risultanospesso fortemente correlati anche per cio che riguarda le variazioni veloci, e il controllo di potenza ad anelloaperto puo essere utilizzato anche per compensare tali variazioni.

Nel caso di controllo di potenza ad anello chiuso (closed loop), la stazione base/mobile misura il rapportosegnale rumore ricevuto dalla stazione mobile/base. Una volta misurato viene inviato sul canale downlink/u-plink un messaggio che informa la stazione mobile/base di aumentare o diminuire la potenza trasmessa aseconda che il rapporto segnale rumore sia superiore o inferiore ad un valore di riferimento. Se il periodo ditrasmissione dei messaggi di controllo e sufficientemente piccolo (minore del tempo di coerenza del canale),allora questo tipo di controllo permette di compensare le variazioni veloci. Nel caso UTRA tale tempo e paria 0,667 ms, un valore sempre minore del tempo di coerenza (che raramente scende sotto i 10 ms). Allora, ilcontrollo di potenza ad anello chiuso permette di ridurre notevolmente le variazioni di potenza rispetto alcaso in cui si utilizzi semplicemente il ricevitore Rake (si veda Figura 3.16 b).

Tuttavia, il controllo di potenza non potra essere perfetto, specialmente nel caso di rapide variazionidel canale (ovvero di alte velocita del mezzo mobile). Queste residue fluttuazioni dovranno essere tenute inconsiderazione nella scelta del rapporto segnale rumore da richiedere per un certo collegamento. Se infattiper avere una buona qualita del segnale e necessario richiedere un rapporto segnale rumore di soglia paria SIR0, il sistema di controllo di potenza dovra in effetti richiedere un rapporto segnale rumore pari aSIR0 + ∆, dove ∆ e un margine di sicurezza necessario per cautelarsi di fronte alle oscillazioni residue.Ovviamente, le entita delle oscillazioni della potenza ricevuta dipenderanno in primo luogo dalla velocita

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Figura 3.17 Esempi di andamento della potenza nel tempo nel caso di controllo di potenza

del mobile, e quindi saranno variabili nel tempo. Percio il valore di ∆ dovra essere variabile ovvero piuelevato per velocita maggiori e piu basso per velocita minori. L’aggiustamento del fattore viene effettuatoda un’altra forma di controllo di potenza detto controllo di potenza outer loop. Tale sistema prevede chela stazione base misuri la qualita del segnale ricevuto in termini di percentuale di frame corretti ricevuti.Quando questo parametro di qualita scende sotto ad una soglia, viene aumentato il fattore di protezione ∆,ovvero viene richiesto un rapporto segnale rumore maggiore da quel collegamento.

In Figura 3.17 si riportano degli esempi di oscillazione della potenza espressa in dB ricevuta alla stazionebase da un terminale mobile, in funzione del tempo (in secondi). La potenza desiderata e di 0 dB. Le figuredella colonna sinistra si riferiscono ad una velocita del terminale mobile di 10 Km/h, mentre quelle a destrasi riferiscono ad una velocita di 100 Km/h. La prima riga si riferisce ad un caso di controllo di potenza moltolento che riesce a compensare solo le variazioni dovute alla posizione del terminale. Si vede che le oscillazionisono molto elevate (in qualche caso superiori a 15 dB). Nella seconda riga e riportato un caso di controllodi potenza sufficientemente veloce per compensare le variazioni lente (shadowing) del canale. In questo casole oscillazioni sono dovute solo al fast fading e la loro ampiezza non supera mai i 10 dB (si e utilizzato unricevitore Rake che limita tali oscillazioni). Nell’ultima riga si suppone di avere un controllo di potenzache viene effettuata ogni 0,667 ms (che come vedremo e il periodo utilizzato nello standard UTRA) e chequindi riesce a compensare quasi del tutto le oscillazioni nel caso 10 Km/h, mentre lascia delle oscillazioniconsistenti nel caso 100 Km/h.

3.4.5 Il soft handover

Nello standard UTRA, quando un terminale mobile si trova in una zona coperta da piu stazioni base, vieneiniziata una procedura di soft handover. Tale termine indica che il passaggio da una cella ad un’altra nonavviene bruscamente (hand handover), ovvero rilasciando completamente il collegamento con la stazione baseprecedente per instaurarne uno nuovo, bensı mantenendo attivi i due (o piu) collegamenti con le stazionibase finche la qualita degli stessi collegamenti e sufficientemente elevata. Nei sistemi CDMA tale formadi handover e abbastanza semplice, poiche tenere attivi piu collegamenti significa semplicemente trasmet-tere (o ricevere) con piu codici contemporaneamente. Nei sistemi TDMA/FDMA, come il GSM, questosignificherebbe trasmettere contemporaneamente con due diverse frequenze, ovvero raddoppiare il numerodi trasmettitori (con conseguente aumento dell’ingombro, del consumo energetico e della complessita dei

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teminali).

La possibilita di implementare un soft handover permette di migliorare notevolmente le prestazioni delsistema nelle fasi di passaggio da una cella ad un’altra. Tali fasi sono quelle piu delicate per la qualita dellecomunicazioni, poiche prevedono che il terminale mobile si trovi ai bordi della cella, ovvero nella situazionedi peggiore copertura. In queste condizioni, se il canale presenta una forte attenuazione casuale aggiuntivarispetto a quella dovuta alla distanza (path loss), e presumibile che il terminale mobile non disponga dipotenza sufficiente per mantenere la comunicazione (caduta del collegamento).

La possibilita di tenere attivi piu collegamenti permette di diminuire notevolmente la probabilita dicaduta, poiche e molto improbabile che tutti i collegamenti presentino una situazione negativa dal punto divista dell’attenuazione aleatoria introdotta dal canale. Ovviamente, il soft handover ha l’inconveniente didover tenere attivi piu collegamenti per una certa percentuale di tempo (nel caso UTRA si e valutato cheun terminale puo lavorare fino al 40% del tempo in soft handover). Questo comporta una perdita di risorseper eventuali nuovi collegamenti, perdita largamente compensata dai vantaggi apportati dal soft handover.

Per diminuire la quantita di risorse impiegate, ovvero per diminuire la percentuale del tempo che unterminale sta in soft handover, basta aumentare le soglie di accettabilita della qualita di un collegamentocon la stazione base. Infatti, la decisione se una stazione base deve o meno entrare nel gruppo di quellecon le quali instaurare una connessione, viene effettuata sulla base del rapporto segnale rumore del segnalepilota inviato da tutte le stazioni base.

A titolo di esempio, in Figura 3.18 si riporta come esempio un possibile algoritmo di soft handover in cuisi suppone che il terminale mobile possa essere connesso al massimo a due stazioni base contemporaneamente(cio si traduce dicendo che la dimensione massima dell’active set e 2). In ordinata si ha il valore del rapportosegnale rumore (Ec/I0) ricevuto dai segnali pilota delle stazioni (in figura se ne considerano 3 rappresentatecon colori diversi) mentre in ascissa si ha il tempo. Quando la differenza tra i valori di Ec/I0 misurati frala stazione base migliore (quella rossa) ed un’altra stazione base diventa minore di una soglia (soglia 1) perun tempo 4t, l’altra stazione viene aggiunta al gruppo di soft handover. Questo avviene nel punto t1 dellafigura, quando viene aggiunta la stazione 2 (verde) e quindi l’active set viene completato (2 stazioni). Nelpunto t2 la differenza fra i valori di Ec/I0 misurati per una terza stazione base (quella blu) e la stazionebase peggiore dell’active set (diventata quella rossa) risulta maggiore di una seconda soglia (soglia 2) peril tempo 4t. In questo caso la stazione rossa viene sostituita da quella verde nell’active set. Infine, unastazione viene eliminata dall’active set quando i valori di Ec/I0 misurati per quella stazione sono minori diquelli relativi alla stazione base migliore di un valore pari ad una soglia (soglia 3), per un tempo 4t.

Come risulta facilmente intuibile dall’osservazione della Figura 3.18, il valore delle tre soglie utilizzateincide fortemente sulla percentuale di tempo in cui un terminale si trova in soft handover.

3.5 Interfaccia UTRA-FDD

Prima di iniziare ad analizzare come sono fisicamente implementati i vari canali dell’interfaccia UTRA-FDD, riportiamo nello schema di Figura 3.19 le caratteristiche principali delle operazioni di spreading e discrambling nel caso FDD.

Per quanto riguarda il campo utilizzazione dei canali dedicati, si e evidenziato che i codici di spreadingservono per separare i traffici di uno stesso terminale/stazione, mentre i codici di scrambling per separarei diversi terminali/stazioni. In questo modo, la scelta di un codice fra i possibili codici OSVF e lasciataliberamente al terminale/stazione senza bisogno di un coordinamento centrale per l’assegnazione di detticodici.

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Figura 3.18 Algoritmo di soft handover

Figura 3.19 Principali caratteristiche delle operazioni di spreading e di scrambling

3.5.1 Il canale dedicato in uplink

Lo schema della trasmissione dei canali dedicati in uplink viene mostrato in Figura 3.20. La modulazionee una 4-PSK, in cui i canali fase e quadratura vengono utilizzati per trasmettere il canale dedicato dati(DPDCH) ed il canale dedicato di controllo (DPCCH). I segnali di banda base dei due canali parallelivengono allargati in banda attraverso due sequenze di spreading appartenenti a codici OVSF. Le due sequenzechiamate CDPDCH e CDPCCH , sono fra loro ortogonali. Il fattore di spreading per il canale di controllo efisso e vale 256, mentre per il canale dati e variabile e puo assumere i valori 4,8,16,...,256. Percio, per unafrequenza di chip fissa di 3.84 Mchip/s, si ha un bit rate fisso per il canale di controllo pari a 15 kbit/s(3.84 ·106/256), mentre per il canale dati il bit rate e variabile (da un minimo di 15 kbit/s ad un massimo di960 kbit/s). La scelta di trasmettere i due canali contemporaneamente (con codici diversi), invece di usareuna divisione di tempo come per esempio avviene nel GSM fra canali di trasporto TCH e canale di controlloassociato SACCH, risiede nella necessita di evitare le cosiddette trasmissioni discontinue. Infatti, il canaledati non trasmette in continuazione a causa della natura delle sorgenti informative che producono dati aburst (per la voce si hanno alternanze di periodi di attivita e periodi di silenzio). Quando il canale dati non

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Figura 3.20 Schema della trasmissione dei canali dedicati

Figura 3.21 Struttura del canale dedicato

trasmette, si ha la sola trasmissione di infomazioni di controllo. Nel caso in cui queste siano multiplexatea divisione di tempo con i dati, si viene a generare una trasmissione discontinua con periodo di silenziopari alla separazione temporale fra i due successivi segnali di controllo. In questo caso si viene a generareun’interferenza sul segnale vocale percepito al terminale mobile, in una banda di frequenze intorno all’inversodel periodo di silenzio in trasmissione. Nel caso GSM, dove i segnali di controllo associati SACCH sonomolto lenti, il periodo di silenzio e pari a 60 ms, per una corrispondente frequenza interferente di 16 Hz(1/60 ms). Tale frequenza non interferisce con il segnale vocale (che come detto e collocato nella banda300-4000 Hz).

Del resto, nel sistema GSM, si ha un accesso multiplo di tipo TDMA, per cui le trasmissioni discontinueavvengono anche durante i periodi di trasmissione. I periodi di silenzio sono in questo caso pari al tempodi frame, ovvero 4.62 ms. La frequenza interferente e di circa 216 Hz, ancora al di sotto della minimafrequenza del segnale vocale. Nel caso UTRA-FDD, invece, i segnali di controllo devono essere molto veloci,con un periodo di ripetizione pari a 0.677 ms. La frequenza interferente nel caso di multiplexaggio temporaledati/controllo sarebbe quindi di circa 1400 Hz, ovvero creerebbe forti disturbi sul segnale vocale percepitodall’utente mobile. Percio si e scelto di trasmettere in continuazione il canale di controllo e trasmettere idati su un canale ortogonale.

Il segnale del canale dedicato in uplink viene sottoposto poi a scrambling attraverso la moltiplicazionedi una sequenza (Cscramb) che caratterizza il terminale mobile. Infine i due canali I/Q del segnale vengonoinviati a dei filtri p(t) a coseno rialzato con fattore di Roll-off 0.22, moltiplicati coseno/seno ed inviati alcanale.

Riportiamo ora in Figura 3.21 la struttura del canale dedicato in uplink. La struttura del canale prevedel’organizzazione in frame di durata 10 ms composti da 15 slot temporali di durata 0.677 ms ciascuno.Ogni slot prevede la trasmissione parallela del canale DPDCH e DPCCH. Il canale DPDCH trasporta

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Figura 3.22 Rappresentazione di trasmissione in uplink

le informazioni dei livelli superiori (e associato al canale di trasporto DCH) mentre il canale DPCCH,che trasporta 10 bit per slot, svolge funzionalita di solo livello fisico. Tali funzionalita vengono espletateattraverso 4 campi principali. Il campo Pilot contiene bit noti che servono al ricevitore (alla stazione base)per stimare il canale. I bit TFCI (Transport Format Combination Indicator) trasportano l’indicazione delbit rate utilizzato in quel frame dal canale dati. Tale bit rate infatti puo variare in ogni frame ed il canaledi controllo associato ai dati informa il ricevitore sul bit rate utilizzato. Ovviamente i bit TFCI devonoessere molto protetti, poiche un errore su tali bit comporta la perdita di tutto il frame. In Figura 3.22 siriporta una rappresentazione grafica che rende l’idea di come venga implementata la trasmissione a bit ratevariabile in uplink. Nei primi 4 casi si hanno 4 bit rate diversi, ma costanti su ogni frame di durata 10 ms(il valore del bit rate per il canale dati e rappresentato dall’altezza del rettangolo arancione). Nell’ultimocaso si ha un bit rate variabile per il canale dati, dove le variazioni intervengono su base frame. Si noti cheil canale di controllo (rettangolo blu) trasmette sempre a bit rate costante.

Il campo FBI (massimo 2 bit) trasporta dei bit che servono alla stazione base per ”puntare” la trasmis-sione del segnale di antenna verso al direzione in cui si trova l’utente (cosa possibile solo nel caso in cui siutilizzino antenne ad array alla stazione base). In questo caso si parla di diversita di trasmissione ad anellochiuso, poiche l’aggiustamento dei parametri di diversita di trasmissione (coefficienti degli array dell’antennatrasmittente alla stazione base) sono regolati sulla base delle informazioni inviate dal terminale mobile. Ilcampo TPC (massimo 3 bit) serve infine per spedire alla stazione base informazioni sul rapporto segnalerumore ricevuto al terminale mobile nella trasmissione in downlink. In questo modo la stazione base puoregolare la potenza trasmessa per raggiungere esattamente il rapporto segnale rumore desiderato (controllodi potenza ad anello chiuso).

Nella tabella 3.2 sono riportati i bit rate ottenibili dal canale dati in uplink. Come si vede, il massimo bitrate raggiungibile nel caso si utilizzi un solo canale per traffico, e di 960 kb/s. Poiche tuttavia lo standardprevede che i dati debbano essere codificati con una codifica a protezione caratterizzata da un rate di circa0.5, si ha un effettivo bit rate massimo di 480 kbit/s. Per raggiungere il bit rate di 2 Mbit/s occorre mettereinsieme tutti e 4 i codici paralleli OVSF arrivando cosı ad un bit rate effettivo di 2.4 Mbit/s (che si riduce aMbit/s per effetto delle ritrasmissioni dei frame persi). Vediamo ora come e possibile raggiungere un bit ratedi canale pari a 4800 kbit/s con quattro codici paralleli. Due codici OVSF sono utilizzati per trasmettereil DPCCH e il primo DPDCH . I due codici rimanenti sono utilizzati per trasmettere due ulteriori DPDCHcon modulazione 4-PSK (nei due successivi DPDCH si usano entrambi i canali I e Q per i dati, visto chebasta trasmettere un solo canale di controllo). Allora il bit rate diventa 960 + 2 · 960 + 2 · 960 = 4800.

Si noti che il ricevitore puo demodulare i bit del canale di controllo (di cui conosce il valore di G edil codice utilizzato) ma non quelli del canale dati (di cui non conosce il G). Allora i chip del canale dati

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Fattore di spreading del canale Bit rate del canale DPDCH Bit rate effettivo con code rate 1/2DPDCH (kbit/s) (kbit/s)

256 15 7.5128 30 1564 60 3032 120 6016 240 1208 480 2404 960 480

4, con codici paralleli 4800 2400

Tabella 3.2 Bit rate possibili del canale dati in uplink

vengono sottoposti a despreading supponendo che sia stato utilizzato il minimo G possibile (G = 4), l’uscitadel despreading viene memorizzata in un buffer e la demodulazione viene rinviata a quando sara noto il bitrate utilizzato. Vediamo ora quali sono i passi che vengono effettuati al ricevitore della stazione base primadi demodulare i bit del canale DPDCH.

• Per ogni slot :

– si ottiene la stima del canale dal campo Pilot del canale DPCCH;

– si stima il rapporto segnale rumore dal campo pilot del canale DPCCH;

– si trasmette il comando TPC nella direzione opposta sul canale di controllo in downlink;

– si decodificano i bit TPC del canale DPCCH in ogni slot e si aggiusta di conseguenza la potenzatrasmessa in downlink;

• Ogni 2 o 4 slot:

– si decodificano i bit FBI del cabale DPCCH, se presenti, e si aggiustano i pesi dell’array di antennedi conseguenza;

• Ogni frame (10 ms):

– si decodificano i bit TFCI del canale DPCCH per ottenere il bit rate utilizzato nel canale dati;

• Ogni tempo fisso TTI (Trasmission Time Interval, coincidente col periodo di interleaving) di 10, 20,40 o 80 ms:

– si demodulano i bit del canale DPDCH;

Facciamo ora un’osservazione su quanto visto nel paragrafo.La prima operazione da effettuare in ricezione e ovviamente quella di stimare il canale. Tale operazione

deve essere effettuata su una sequenza di bit noti. Se si fosse utilizzato lo steso codice di spreading peri canali I e Q (si veda Figura 3.20), per poter stimare correttamente il canale sarebbe stato necessariotrasmettere bit noti sia sul canale I che sul canale Q. Questo avrebbe significato trasmettere per un certoperiodo solo il campo Pilot del canale DPCCH, ovvero multiplexare nel tempo i canali DPDCH e DPCCH.Poiche questa soluzione non e possibile in uplink, come visto precedentemente, si e optato per la soluzione diseparare con codici ortogonali i canali DPDCH e DPCCH. Questo comporta la perdita di un codice OVSFma permette la trasmissione contemporanea di dati e controllo.

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Figura 3.23 Schema di trasmissione dei canali dedicati in downlink

Figura 3.24 Struttura del canale dedicato in downlink

3.5.2 Il canale dedicato in downlink

Nel canale dedicato in downlink viene utilizzato un moltiplexaggio temporale per dividere il canale DPDCHe DPCCH. Questo puo essere fatto perche alla stazione base l’introduzione di trasmissioni discontinue peril singolo collegamento non da particolare fastidio. Infatti, alla stazione base si hanno tanti collegamentiattivi contemporaneamente. Percio la possibilita che si abbiano momenti in cui, per effetto delle inattivitadei vari utenti, la stazione base non trasmetta, e molto bassa. La soluzione di trasmettere il canale dati edi controllo alternativamente con multiplexaggio temporale permette l’utilizzo di un’effettiva modulazione4-PSK. Ogni codice OVSF utilizzato serve per trasmettere sia il canale dati che quello di controllo. Il bitrate associato ad uno stesso fattore di spreading G (ovvero ad uno stesso codice OVSF) e cosı doppio indownlink rispetto all’uplink. Una peculiarita quindi del canale dedicato in downlink e che anche il canaledati. oltre ovviamente a quello di controllo, utilizza un fattore di spreading costante. Questo facilita ilcompito del ricevitore che, una volta venuto a conoscenza del codice OVSF utilizzato, sa che questo noncambiera per tutta la trasmissione. La possibilita di implementare una trasmissione a bit rate variabile egarantita non piu variando il fattore di spreading (e quindi il codice), ma variando il numero di bit trasmessiin ogni slot. Ad esempio, se si sta utilizzando un codice con spreading 16, il canale dedicato dati e in gradodi trasportare 16000 simboli in modulazione 4-PSK ogni slot (0.667 ms), per un bit rate lordo di 480 kbit/s.Se si vuole utilizzare un bit rate minore si trasmettono semplicemente meno bit per slot, lasciando vuoto lospazio rimanente dello slot (si noti che questa non e una perdita di capacita in assoluto perche nel CDMAnon trasmettere produce minor interferenza, ovvero permette ad altri di trasmettere piu velocemente). Adesempio se si occupa la meta dello slot, ovvero si trasmettono solo 8000 simboli dei possibili 16000, siraggiunge un bit rate lordo di 240 kbit/s.

In Figura 3.23 si riporta lo schema della trasmissione dei canali dedicati in downlink. A differenza delcaso uplink (Figura 3.20), si ha che lo stesso codice di spreading viene utilizzato sui canali I e Q. In questomodo, in ogni istante si puo trasmettere ad una velocita doppia rispetto al caso uplink.

In Figura 3.25 si riporta la struttura del canale dedicato in downlink.

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Figura 3.25 Rappresentazione di trasmissione in dowlink

Come si vede, i canali dati e di controllo sono trasmessi in multiplexaggio temporale. I campi del canaleDPCCH svolgono le stesse funzioni viste nel caso della trasmissione in uplink. Si noti che nel canale dicontrollo in downlink non e presente il campo FBI, poiche non e previsto ch il terminale mobile possa faruso di antenne ad array.

In Figura 3.25 si riporta una rappresentazione grafica che rende l’idea di come venga implementata latrasmissione a bit rate variabile in downlink. La parte blu di uno slot (o,667 ms) rappresenta lo spaziooccupato dal canale di controllo, mentre la parte verde rappresenta la parte occupata dal canale dati.L’altezza dei rettangoli, che rappresenta al solito il bit rate istantaneo, non varia come avveniva nel casouplink. Questo dipende dal fatto che il fattore di spreading viene mantenuto costante per tutto il tempoed uguale per i due canali dati e controllo trasmessi in multiplexing temporale. Il bit rate variabile per ilcanale dati viene ottenuto semplicemente occupando porzioni piu o meno grandi dello slot.

Nella tabella 3.3 mostra i bit rate ottenibili dal canale dati in downlink. Come si puo vedere, rispetto alcaso uplink, si ha un bit rate di canale doppio per uno stesso fattore di spreading (questo avviene a causadella trasmissione 4-PSK). In realta, il bit rate effettivo del canale dati (quarta colonna) e un po’ minore deldoppio del caso uplink, a causa della necessita di dover utilizzare una parte della capacita trasmissiva peril canale di controllo. Si noti che all’aumentare del bit rate, la frazione di capacita da associare al canale dicontrollo aumenta. Questo e dovuto al fatto che all’aumentare del bit rate diminuisce il fattore di spreading.Percio il canale di controllo va protetto maggiormente con una codifica di canale piu potente che comportaun maggior spreco di banda.

La procedura di demodulazione dei bit del canale DPDCH effettuata al terminale mobile e quasi identica aquella effettuata dalla stazione base per il collegamento in uplink, descritta alla fine del precedente paragrafo.Le differenze piu significative sono: (i) i bit di FBI non sono presenti in downlink; (ii) esiste un canale dicontrollo comune in downlink per il trasporto di bit noti (oltre a quelli presenti nel campo Pilot del canaleDPCCH) che aiuta il procedimento di stima del canale.

3.5.3 La segnalazione

Le necessita di segnalazione dello standard UMTS richiedono la trasmissione di molta quantita di infor-mazione aggiuntiva oltre a quella necessaria per trasmettere i dati. La segnalazione puo’essere generata ailivelli superiori a quello fisico oppure puo essere generata direttamente a livello fisico (come il canale DPCCHassociato al canale dati). Per descrivere le varie fasi della segnalazione passeremo in rassegna i vari canalifisici che vengono utilizzati per svolgere funzionalita di segnalazione.

Canale CPICH (Common Pilot Channel). Tale canale e un canale downlink di livello fisico nonmodulato(non trasporta bit) che utilizza la stessa sequenza di scrambling del canale dati ( caratteristicadella stazione base). La funzione di tale canale e quella di aiutare la stima del canale al terminale mobile

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Fattore di Symbol rate Bit rate Bit rate del Bit rate effettivospreading di canale di canale canale dati con code rate 1/2

G (kbit/s) (kbit/s) (kbit/s) (kbit/s)512 7.5 15 3-6 1-3256 15 30 12-24 6-12128 30 60 42-51 20-2464 60 120 90 4532 120 240 210 10516 240 480 432 2158 480 960 912 4564 960 1920 1872 936

4, 3 codici 2880 5760 5616 2300paralleli

Tabella 3.3 Bit rate possibili del canale dati in downlink

per la demodulazione dei canali dedicati e di permettere la stima del canale per i canali comuni (descrittiin seguito) che non prevedono la trasmissione di un canale di controllo associato. La sequenza di spreadingutilizzata e fissa (256) e conosciuta da tutti i terminali mobili in modo da permettere a tutti l’utilizzo delcanale CPICH. Oltre a stimare il canale, il canale CPICH svolge un’altra importante funzione. Esso infattiviene utilizzato dai terminali mobili per stimare la qualita della comunicazione della stazione base. Nel casoin cui questa sia troppo bassa, il terminale mobile avvia la procedura di handover.

Canale SCH (Synchronization Channel). Quando il terminale mobile viene acceso, la prima op-erazione da fare e la ricerca della cella. Tale operazione consiste nel sincronizzarsi con la stazione basedalla quale si riceve il segnale con potenza piu’ elevata e decodificare la sequenza di scrambling utilizzatadalla stazione base (questo e necessario per poter demodulare i vari canali trasmessi dalla stazione base).Il canale di sincronizzazione SCH svolge proprio la funzione suddetta. Tale canale e un canale downlink dilivello fisico che utilizza la sola operazione di spreading (non viene utilizzato lo scrambling). La sequenza dispreading e fissa (256) ed e identica in ogni cella. La ragione di queste scelte risiede nel fatto che l’operazionedi ricerca della cella e la prima effettuata. Percio il terminale mobile no sa nulla e non puo ricevere segnaliche vengono trasmessi con una particolare sequenza di scrambling/spreading.

Il canale SCH si compone in realta di due canali: il canale SCH primario e quello secondario. Ilcanale primario utilizza effettivamente sequenze di spreading identiche in ogni cella e serve per ottenerela sincronizzazione di slot fra terminale mobile e stazione base. Il canale secondario invece, che vienetrasmesso in parallelo con quello primario (multiplexing I/Q), trasmette una particolare combinazione di 15sequenze di spreading all’interno di un frame (una diversa per slot) che sono in relazione con la sequenza discrambling utilizzata dalla stazione base. Il terminale mobile, una volta decodificata la sequenza trasmessa,e cosı a conoscenza della sequenza di scrambling utilizzata dalla stazione base alla quale si e sincronizzato(presumibilmente quella che viene ricevuta con maggior potenza).

Il canale SCH viene tramesso in multiplexing temporale con il canale di controllo comune primario chedescriviamo di seguito.

Canale CCPCH primario (Primary Common Control Physical Channel). Il canale CCPCHprimario e il canale fisico che trasporta il canale broadcast BCH. Si tratta di un canale downlink broadcastmodulato (ovvero che trasporta dei bit dalla stazione base a tutti i terminali mobili). Il canale CCPCHprimario deve essere demodulato da tutti i terminali mobili all’interno della stessa cella. Lo schema dellatrasmissione del canale CCPCH primario e identico a quello del canale dedicato in downlink (Figura 3.23).Anche la struttura del frame composto da 15 slot e identica al caso di trasmissione del canale dedicato

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(Figura 3.24). La composizione degli slot e diversa poiche il canale CCPCH primario non trasporta nessuncanale di controllo associato. Infatti, nel canale CCPCH primario viene utilizzato un rate fisso (non c’ebisogno dei bit TFCI), non viene implementato un controllo di potenza ad anello chiuso (non c’e bisognodei bit TPC) e viene lasciato il compito della stima del canale per intero al canale comune CPICH (non c’ebisogno dei bit pilot). Il fattore di spreading (fisso) e pari a 256, per un corrispondente bit rate di canale di30 kbit/s. Tale valore in realta viene ridotto dal fatto che i primi 256 chip di ogni slot (sia nel canale I chein quello Q) vengono utilizzati per trasmettere il canale SCH (primario e secondario). Il numero di chip cherimangono per slot sono 2304 invece di 2560, con una riduzione del bit rate di un fattore 0.9. Percio, il bitrate effettivo di canale e 27 kbit/s. Le informazioni principali trasportate dal canale CCPCH primario sonoquelle necessarie al terminale mobile una volta effettuata la procedura di ricerca della cella (sincronizzazioneed acquisizione della sequenza di scrambling). In particolare, il terminale mobile deve conoscere quali sono lesequenze utilizzate in quella cella per poter effettuare una richiesta di accesso random. Inoltre, il terminalemobile deve essere informato dei codici di spreading utilizzati per le trasmissioni di altri canali di controllocomuni (come il canale CCPCH secondario).

Canale CCPCH secondario (Secondary Common Control Physical Channel). Il canaleCCPCH secondario e il canale fisico che trasporta i canali FACH e PCH. Per una descrizione delle fun-zionalita di tali canali si veda il paragrafo ”Canali di trasporto e mappatura con i canali fisici”. Il canaleCCPCH secondario e’ un canale downlink modulato che trasporta informazioni di controllo verso i terminalimobili. Percio, deve essere demodulato da tutti i terminali mobili all’interno della stessa cella.

Il canale FACH puo trasportare anche dati ad un terminale specifico nella cella. Si tratta di dati a bassobit rate per i quali sarebbe inefficiente instaurare un canale dedicato. Nel caso cui il canale FACH trasportidei dati per un utente specifico, il canale FACH stesso contiene un messaggio di segnalazione che individual’utente destinatario dei dati comuni al suo interno. Si noti che questo costringe gli utenti mobili a decod-ificare tutti i messaggi FACH, con conseguente spreco di potenza. I due canali di trasporto FACH e PCHsono multiplexati temporalmente nel canale CCPCH secondario. Lo schema della trasmissione del canaleCCPCH secondario e identico a quello del canale dedicato in downlink (Figura 3.23). Anche la struttura delframe composta da 15 slot e identica al caso di trasmissione del canale dedicato (Figura 3.24). Per quantoriguarda la struttura dello slot essa puo assumere diverse configurazioni a seconda che siano presenti o menoi bit TFCI ed il campo pilot (i bit TPC sono sempre assenti poiche questo canale non prevede controllo dipotenza ad anello chiuso). Il bit rate del canale CCPCH e variabile cosı come avviene per il canale dedicatoin downlink (la variabilita viene ottenuta attraverso il riempimento o meno dello slot, mantenendo costanteil fattore di spreading, ovvero il codice OVSF utilizzato).

Canale RACH (Random Access Channel) e canale AICH (Acquisition Indicator Channel).Il canale di accesso random (RACH) e un canale uplink utilizzato per registrare l’utente alla rete una voltaavvenuta l’accensione del terminale e la sincronizzazione alla stazione base. La procedura di accesso randomdeve affrontare il problema della non conoscenza esatta del livello di potenza richiesto in trasmissione. Infattiil terminale mobile, accedendo per la prima volta alla stazione base, non ha mai effettuato precedentementeun controllo di potenza ad anello chiuso (con scambio di informazioni mobile-base). Il controllo di potenzaavviene allora sulla base delle indicazioni fornite dai canali ricevuti in downlink, ovvero avviene in modalitaanello aperto (senza feedback). Tale controllo non e molto preciso per cui e possibile che la potenza utilizzatasia insufficiente per far arrivare a destinazione la richiesta di accesso. Un altro problema consiste nel fattoche le sequenze utilizzate (scrambing e spreading) sono obbligatoriamente comuni (inviate in broadcast sulcanale CCPCH primario). Percio e possibile che due utenti, nel tentare di accedere contemporaneamente alcanale, scelgano le stesse sequenze con conseguente perdita di almeno una delle due richieste. Per evitarequesti inconvenienti e stata implementata la seguente procedura per l’accesso alla rete:

• il terminale decodifica il canale CCPCH per ricavare: (i)le coppie di sequenze (scrambling e spreading)da utilizzare col RACH; (ii) le sequenze di signature di 16 bit che identificheranno una richiestaspecifica;

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• il terminale sceglie in maniera random una delle possibili coppie di sequenze (scrambling e spreading);

• il terminale sceglie in maniera random una delle sequenze di signature di 16 bit;

• la potenze da utilizzare viene calcolata sulla base della potenza ricevuta in downlink;

• viene spedito un preambolo delle lunghezza di 1 ms con fattore di spreading 256 contenente i 16 bitdella sequenza di signature scelta a caso (16 bit trasmessi utilizzano spreading 256 per un totale dicirca 1 ms);

• il terminale attende la ricezione di un messaggio di acknowledgement (ACK) spedito in downlink sulcanale AICH;

• se la risposta non e ricevuta, viene incrementata la potenza di un multiplo di 1 dB e viene ritentatala trasmissione del preambolo;

• quando la risposta e ricevuta, viene trasmesso il messaggio RACH vero e proprio di lunghezza 10 o 20ms, utilizzando le stesse coppie di sequenze (scrambling e spreading) scelte a caso per il preambolo;

Per quanto riguarda il canale AICH, esso e un canale di livello fisico non accessibile ai livelli superiori.Il canal AICH ha la sola funzione di trasportare la risposta relativa ad un tentativo di accesso. Percio essoe costituito da una copia identica del preambolo del RACH (eventualmente) ricevuto dal terminale mobile(stesse sequenze e stesse signature).

Si noti che, poiche nel canale RACH non e previsto controllo di potenza ad anello chiuso, il valore dipotenza che risulta alla fine del procedimento di accesso e valido per poco tempo. Per questo il burst RACHe molto corto (al massimo 20 ms).

Lo schema della trasmissione del canale e identico al canale dedicato in uplink (Figura 3.20). Il canaleRACH puo essere utilizzato anche per trasportare dati verso la stazione base. Si tratta di dati a basso bitrate per i quali sarebbe inefficiente instaurare un canale dedicato. In questo caso, il fattore di spreading (equindi il bit rate) del canale RACH possono variare; l’informazione sul bit rate e contenuta ovviamente nelcampo TFCI del canale di controllo associato (DPCCH). Sono previsti valori del fattore di spreading nelrange 32-256. Percio un frame RACH (10 ms) puo contenere fino ad un massimo di 1200 simboli che, alnetto della codifica di canale, vengono mappati in circa 600 bit (bit rate 60 kbit/s).

Canale PCH (Paging Channel) e canale PICH (Paging Indicator Channel). L’operazione dipaging, come abbiamo visto per i sistemi precedenti, consiste nell’informare l’utente mobile registrato allarete di una chiamata in arrivo e che quindi deve essere instaurato un canale dedicato. Questa operazionecoinvolge l’utilizzo di 2 canali: PICH, che e un canale fisico non accessibile ai canali superiori, e PCH, chee il canale di trasporto adibito alla funzione di paging. Quando un terminale si registra alla rete, gli vieneallocato un gruppo di paging. Quando c’e un messaggio per uno qualsiasi degli utenti appartenenti ad uncerto gruppo di paging , un codice di identificazione di quel gruppo (PI, Paging Indicator) viene indicatoin broadcast sul canale PICH. Il canale PICH utilizza sequenze di spreading lunghe 256 per un bit ratedi trasmissione di circa 30 kbit/s. Se un terminale mobile rileva un codice PI coincidente con il proprioidentificativo di gruppo si mette in ascolto sul canale CCPCH secondario per decodificare il canale PCH chee multiplexato temporalmente con il canale FACH. Nel canale PCH viene inviato l’identificativo dell’utenteeffettivo all’interno del gruppo.

3.6 Interfaccia UTRA-TDD

In Figura 3.26 si riporta i principi operativi delle tecniche di multiplazione UTRA-FDD e UTRA-TDD. Lecaratteristiche peculiari del sistema TDD sono:

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Figura 3.26 Multiplazione negli standard UTRA-FDD e UTRA-TDD

• Possibilita di utilizzare risorse asimmetriche fra uplink e downlink. Questo vuol dire poter allocarepiu bit rate in una delle due direzioni (spesso in downlink), cosa che non e possibile nel sistema FDD(dove si assegnano 5 MHz sia in uplink che in downlink).

• Necessita di gestire trasmissioni discontinue. Infatti, in un certo istante, le trasmissioni in una direzionedevono interrompersi per lasciare spazio a quelle nell’altra direzione. Per evitare sovrapposizioni fra letrasmissioni in uplink e downlink sara necessario stabilire dei tempi di guardia fra le due trasmissioni.

• Le stazioni base devono essere sincronizzate a livello di frame per evitare interferenze fra uplink edownlink. Nel sistema FDD le interferenze al terminale mobile/stazione base avvengono solo pereffetto delle trasmissioni in downlink/uplink, ovvero non vi e interferenza fra uplink e downlink (graziealla separazione in banda di 190 MHz). Nel caso TDD invece, puo succedere che mentre una stazionebase sta ricevendo dai terminali mobili (uplink attivo), la stazione base vicina stia trasmettendo versoi terminali mobili (downlink attivo). Questo crea un’interferenza fra le stazioni base che puo esseremolto piu rilevante rispetto a quella fra mobili e base. L’unico modo per evitare cio e che le stazionibase siano perfettamente sincronizzate e che condividano le stesse regole di separazione fra uplink edownlink.

• Reciprocita di canale. Come gia accennato, parlando di controllo di potenza, nel sistema TDD ledue trasmissioni (downlink e uplink) sono separate da un tempo spesso minore del tempo di coerenza.Questo rende possibile un controllo di potenza ad anello aperto che compensi anche le variazioni dovuteal multipath fading.

• Le sequenze di spreading utilizzate sono molto piu corte del caso FDD. Infatti, i codici utilizzati sonosempre codici OVSF con valori di G che variano da 1 a 16.

• Le sequenze di scrambling sono lunghe 16 chip.

3.6.1 Struttura del canale fisico e formato degli slot e del frame

La struttura del frame nel caso TDD e simile a quella del caso FDD. Si hanno infatti 15 slot di durata 0.667ms che vanno a formare un frame di durata 10 ms. Ogni slot trasporta 2560 chip (si trasmette sempre a3.84 Mchip/s). La struttura del frame e mostrata in Figura 3.27.

Ogni slot di 0.667 ms puo essere allocato indifferentemente per la trasmissione uplink e downlink. Inogni slot si possono avere piu trasmissioni ciascuna utilizzante un codice diverso (se le diverse trasmissioni

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Figura 3.27 Struttura del frame nel caso TDD

Figura 3.28 Esempio di allocazione delle risorse tra downlink e uplink

provengono dallo stesso terminale differiscono solo per la sequenza di spreading, altrimenti differiscono ancheper la sequenza di scrambling).

Nel sistema TDD si devono definire dei punti cosiddetti di ”transizione” in cui si cambia il senso dellatrasmissione tra uplink e downlink. Un esempio di possibile assegnazione delle risorse uplink/downlink(simmetriche e asimmetriche) e mostrato in Figura 3.28 (gli slot verdi sono assegnati al downlink e quelligialli all’uplink). La soluzione ottima sarebbe quella di garantire massima flessibilita nella ripartizione dellerisorse, ovvero nel permettere a ciascuno slot di essere utilizzato sia in uplink che in downlink (ovvero avereun possibile punto di transizione alla fine di ogni slot). Tuttavia esiste l’esigenza di garantire il controllo dipotenza ad anello aperto in uplink.

Tale controllo si basa sulla ricezione di un segnale dalla stazione base che deve essere ricevuto sufficiente-mente spesso per poter compensare efficacemente le fluttuazioni veloci del canale. Per questo motivo gli slotTS0 e TS8 vengono riservati sempre per il downlink (il periodo di aggiornamento del comando di controllodi potenza e dunque 5 ms). Inoltre, almeno uno slot deve essere allocato per la trasmissione uplink perpermettere l’accesso casuale al canale.

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Il problema delle trasmissioni discontinue, nel sistema UTRA-TDD, deve essere ben ponderato. Letrasmissioni discontinue, infatti, avvengono anche nel caso in cui un terminale sia in un periodo di trasmis-sione (ad esempio durante un periodo di attivita vocale). I periodi di silenzio/trasmissione sono determinatiproprio dalle regole di ripartizione del frame fra uplink e downlink. Se ad esempio si allocano meta slot perl’uplink e meta per il downlink un terminale che sta trasmettendo slot vocali deve interrompere la trasmis-sione per circa 5 ms. In questo caso la frequenza interferente, prodotta sul proprio segnale vocale per effettodelle trasmissioni discontinue, sarebbe dell’ordine dei 200 Hz, un valore non udibile dall’orecchio umano. Sepero il periodo di silenzio diminuisce, tale frequenza potrebbe diventare sufficientemente elevata da risultareudibile.

3.6.2 Multiplazione a divisione di tempo

Una caratteristica importante del sistema UTRA-TDD e quella dell’introduzione di una multiplazione adivisione di tempo per gestire gli accessi multipli che si va ad aggiungere a quella usuale della divisione dicodice: un canale, sia uplink che downlink, puo utilizzare anche solo un sottoinsieme degli slot che gli vengonomessi a disposizione. Ad esempio se si hanno due terminali che devono trasmettere contemporaneamente,si potrebbe scegliere di allocare slot diversi. In questo modo i rispettivi segnali sarebbero ricevuti allastazione base in tempi diversi e non interferirebbero tra loro. Si ha in sostanza un sistema in cui pochiutenti trasmettono contemporaneamente con codici diversi per un periodo limitato (slot). Ovviamente,essendo limitato il numero di terminali che trasmettono contemporaneamente, si ha anche meno necessitadi protezione contro l’interferenza (per questo motivo le lunghezze delle sequenze di codice sono moltominori rispetto al caso FDD). Si puo quindi affermare che il sistema UTRA-TDD e in realta un sistemaCDMA/TDMA. Questo rende il sistema molto piu flessibile e potenzialmente migliore del sistema UTRA-FDD, anche se occorre tenere presente alcuni inconvenienti:

• La complessita del sistema aumenta notevolmente, soprattutto per la necessita di scheduling dei diversitraffici nei diversi slot a seconda delle rispettive esigenze (occupazione degli slot, bit rate da garantire,entita delle trasmissioni discontinue).

• Il sistema UTRA-TDD, come del resto tutti i sistemi TDMA, richiede una perfetta sincronizzazionetemporale fra i vari utenti mobili (e per quanto detto prima anche tra le stazioni base) per evitare lasovrapposizione fra le varie trasmissioni.

• La limitazione del tempo di trasmissione comporta, a parita di rapporto energia per bit/densita spet-trale di potenza media da garantire, una maggiore potenza di picco. Ad esempio se supponiamo cheun terminale stia trasmettendo a 100 kbit/s utilizzando il sistema UTRA-FDD, il tempo di bit saraovviamente 10µs. Se invece supponiamo di utilizzare il sistema UTRA-TDD con un solo slot asseg-nato su 15, il tempo di bit diventa 0.667 µs. Se la potenza utilizzata fosse la stessa, il sistema TDDsperimenterebbe una energia per bit 15 volte inferiore (ovvero 12 dB in meno). Allora, per avere losteso valore del rapporto energia per bit densita spettrale di potenza media (ovvero la stessa qualita)occorre che il sistema TDD trasmetta con potenza di 12 dB maggiore. Poiche la potenza massima delterminale mobile e limitata (per ovvie ragioni), questo comporta la necessita di ridurre notevolmentele dimensioni delle celle per poter garantire una copertura cellulare adeguata. Per questo motivosi prevede che il sistema TDD possa essere utilizzato in ambienti ”pico” e ”micro” cellulari, comeintegrazione del sistema FDD a copertura, invece, ”macro cellulare”.

3.6.3 Definizione dei burst di traffico

Ci sono tre tipi di burst nel sistema UTRA-TDD: burts traffico, burst accesso e burst sincronizzazione. Neiburst di traffico vengono mappati i canali dedicati DCH. Essi si distinguono fra burst utilizzati in uplink edownlink. In Figura 3.29 sono riportate le strutture di tali burst.

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Figura 3.29 Burst del sistema UTRA-TDD

Il burst utilizzato in uplink contiene i bit TPC per il controllo ad anello chiuso della potenza trasmessadalla stazione base (si ricorda che il controllo ad anello chiuso e previsto solo nel tratto downlink). I duecampi dati presenti nel burst sono, in entrambe le configurazioni, separati da un midambolo contenente unasequenza nota (di lunghezza 256 o 212 chip) che serv sia per l’equalizzazione che per la stima del canale. Iltempo totale occupato dai due burst e pari alla lunghezza dello slot temporale UTRA, ovvero 667 µs.

Il tempo di guardia, di lunghezza pari a 25 µs (96 chip), serve per evitare che vi sia sovrapposizione deivari slot temporali. Il sistema UTRA-TDD prevede di dover operare con celle di dimensione massima fino a3 Km. In questo caso il tempo che impiega un segnale per arrivare alla stazione base al mobile e di circa 10µs. Questo vuol dire che il mobile, quando ha effettuato la sincronizzazione alla BS e vuole trasmettere unburst di traffico, inizia a trasmettere con un ritardo di 10 µs rispetto all’istante esatto di inizio slot. Inoltre,il burst arriva alla stazione base con un ritardo ulteriore di altri 10 µs dovuto alla propagazione in uplink,accumulando un ritardo totale di circa 20 µs. Percio, affinche il burst trasmesso non vada a sovrapporsial burst adiacente, occorre che lo spazio di guardia in cui non si trasmette sia superiore ai 20 µs. Comevisto nel caso GSM, questo tempo potrebbe essere ridotto attraverso l’invio da parte della stazione base diun segnale indicante il ritardo di trasmissione, ed il conseguente anticipo della trasmissione da parte delterminale mobile (Timing Advance). Tuttavia, anche se possibile, questo accorgimento non e previsto dallostandard a causa della dimensione ridotta delle celle.

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